Thiết kế và điều khiển tay máy thực hiện thao tác thể dục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1.

Sơ lược về Humanoid robot:

Humanoid robot còn được gọi là robot dạng người. Trong các phim khoa học
viễn tưởng, các loại robot đều có hình dạng giống người, do đó cứ nhắc đến
“robot” thì hầu hết mọi người đều nghĩ đến humanoid robot. Tuy nhiên, không
phải robot nào cũng có hình dạng giống người, tùy theo chức năng mà có hình
dạng thích hợp.
Các đặc tính của humanoid robot có thể tổng kết như sau:
(1) Có thể hoạt động trong môi trường của con người.
(2) Có thể sử dụng công cụ của con người.
(3) Có hình dạng giống con người.

Môi trường sống hiện nay được thiết kế cho con người, tất cả các vật dụng,
điều kiện sống đều phục vụ cho con người. Các công cụ cũng đều thiết kế cho
phù hợp với vóc dáng của con người. Một con robot có hình dạng khác đi sẽ
không thể phù hợp được. Tuy nhiên, để phát triển một loại robot mới thích nghi
với môi trường đó sẽ mang tính kinh tế cao hơn việc thay đổi toàn bộ môi
trường. Đặc tính tiếp theo liên quan đến cảm xúc của con người. Robot càng
giống con người càng được nhân cách hóa. Ví dụ: Một con robot dạng người
nhảy múa sẽ hấp dẫn hơn. Robot có hình dạng giống người tạo cảm giác thân
thiện, gần gũi với con người hơn. Đặc tính này là nguyên nhân khiến các phim
khoa học viễn tưởng thiết kế robot dạng người.Việc sử dụng humanoid robot là
hiệu quả và tiết kiệm hơn nhiều so với robot dạng khác. Do đó, việc nghiên cứu
phát triển humanoid robot là điều cần thiết.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Cũng giống nhu con người, humanoid robot được ghép lại bởi nhiều bộ
phận: đầu, mình, chân, tay. Ở mức độ luận văn chỉ tập trung nghiên cứu và phát
triển các động tác cơ bản mà tay con người có khả năng thực hiện được thông
qua việc phân tích khớp vai và khớp khuỷu tay. Mục tiêu như sau:
 Thực hiện theo các động tác tay cơ bản mà con người đang thực hiện và
có khả năng ghi nhớ những động tác đó. Ứng dụng của robot là mong
muốn thay thế con người thao tác trong các môi trường nguy hiểm, trợ
giúp con người trong giảng dạy từ xa, đại diện cho một cá nhân, tập thể
khi họ không thể có mặt nhưng vẫn tương tác trực tiếp với môi trường
xung quanh...
Để làm được điều này, ta cần làm những việc sau:
 Tìm hiểu đặc điểm cấu tạo khớp vai, khớp khuỷu tay, biểu diễn khớp
sinh học dưới dạng các khâu và khớp cơ khí.
 Tìm hiểu các động tác cơ bản của người mà robot có khả năng thực hiện
được, thông qua đó đưa ra phương án thiết kế phù hợp.
1.2.

Chuyển động tại khớp vai, khớp khuỷu tay của con người:
 Cấu tạo khớp vai ở người:

Hình 1.1: Tổng quan về khớp vai.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Ba xương tạo lên khớp vai bao gồm:
-

Xương đòn.

-

Xương vai.

-

Xương cánh tay.

Hình 1.2: Xương đòn.

Hình 1.3: Xương vai.
3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.4: Xương cánh tay.

Vai có hai khớp hoạt động đồng thời để tạo chuyển động là:
-

Khớp vai - đòn (AC) là khớp trượt hình thành giữa xương đòn và
mỏm cùng vai, mỏm cùng vai là phần lồi của xương vai. Khớp vai
đòn cho phép chúng ta có thể nâng cánh tay lên đầu (1DOF).

Hình 1.5: Khớp vai - đòn
4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-

Khớp ổ chảo – cánh tay hay gọi là khớp vai là khớp chỏm cầu, phần
cầu là phần chỏm hình tròn của xương cánh tay và phần tiếp khớp là
phần hình bát lõm xuống của xương vai gọi là ổ chảo. Nơi tiếp xúc
này cho phép cánh tay xoay tròn cũng như đưa ra xa, gần cơ thể
(2DOF).

Hình 1.6: Khớp ổ chảo – cánh tay.
 Chuyển động ở khớp vai:
Với cấu tạo được phân tích như trên gồm một khớp tịnh tiến và
một khớp cầu nên khớp vai bao gồm ba bậc tự do. Chuyển động tại khớp
vai được biểu diễn như sau:

Hình 1.7: Chuyển động của khớp vai sinh học.

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Cấu tạo khớp khuỷu ở người:

Hình 1.8: Tổng quan về khớp khuỷu.

Ba xương tạo lên khớp khuỷu bao gồm:

-

Xương cánh tay.

-

Xương trụ.

-

Xương quay.

Hình 1.9: Xương cánh tay.
6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.10: Xương trụ.

Hình 1.11: Xương quay.

Khuỷu bao gồm hai khớp:
-

Phần tiếp xúc giữa lồi cầu của xương cánh tay và đầu của xương
quay.

-

Phần tiếp xúc giữa xương trụ và lồi cầu xương cánh tay.
7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.12: Khớp giữa xương cánh tay và xương quay.

Hình 1.13: Khớp giữa xương trụ và xương cánh tay.

8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chuyển động tại khuỷu tay được hình thành nhờ vào hoạt động
đồng thời của hai khớp trên cho phép chúng đưa bàn tay lên vai và qua
ngực (2DOF).

 Chuyển động ở khớp khuỷu:

Với cấu tạo được phân tích như trên gồm một khớp cầu và một
khớp quay nên khớp khuỷu bao gồm hai bậc tự do. Chuyển động tại
khớp khuỷu được biểu diễn như sau:

Hình 1.14: Chuyển động của khớp khuỷu sinh học.

1.3.

Giới hạn đề tài:

Đề tài tập trung nghiên cứu một ứng dụng trong số nhiều lợi ích của robot
dạng người nhằm giúp đỡ con người.

Mục tiêu của đề tài là thiết kế, đều khiển cánh tay của robot dạng người mô
phỏng một số động tác thể dục cơ bản. Luận văn sẽ lần lượt đi qua các chương như
sau:

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về robot dạng người. Phân tích cấu tạo,
chuyển động tại khớp vai và khớp khuỷu tay ở người. Giới hạn của đề tài.

-

Chương 2: Phân tích, lựa chọn số bậc tự do cho co cấu cánh tay của robot.
Đưa ra các phương án thiết kế, điều khiển, thiết bị có thể thực hiện được và
lựa chọn phương án phù hợp.

-

Chương 3: Giải bài toán động học vị trí cho cơ cấu cánh tay của robot.

-

Chương 4: Tính toán và thiết kế cơ khí cho một khớp vai của robot.

-

Chương 5: Thiết kế hệ thống điện cho phần điều khiển và phần động lực.

-

Chương 6: Mô phỏng cơ cấu cánh tay robot dựa trên phần mềm Matlab
Simulink để kiểm tra kết quả bài toán động học đã được tính toán ở chương 3.

-

Chương 7: Đưa ra phương pháp điều khiển. Thiết kế giải thuật điều khiển để
cánh tay robot thực hiện nhiệm vụ.

-

Chương 8: Thực nghiệm trên thiết bị, mô hình thực tế để kiểm tra giải thuật
đã được thiết kế ở chương 7 cũng như so sánh độ chính xác giữa mô hình
toán học đã xây dựng ở chương 6 và mô hình thực tế.

-

Chương 9: Tổng kết, đánh giá kết quả thu được qua đề tài. Hướng phát triển
tiếp theo của đề tài.

10


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
CHƯƠNG 2

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Chương 2 tập trung vào việc lựa chọn phương án thiết kế cho robot. Việc lựa chọn
dựa vào nhiệm vụ và phạm vi giới hạn của luận văn.
2.1.

Chọn bậc tự do:

Ở chương 1, ta đã phân tích khớp sinh học ở vai và khuỷu tay của người
bao gồm 5 bậc tự do (khớp vai 3 bậc tự do, khớp khuỷu 2 bậc tự do). Để đơn
giản hóa mô hình vật lý ta xem như các bậc tự do đều là chuyển động xoay. Ta
có mô hình vật lý của khớp sinh học như sau:

Hình 2.1: Mô hình vật lý đơn giản của khớp vai.

Hình 2.2: Mô hình vật lý đơn giản của khớp khuỷu.

11


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Nhiệm vụ của robot là mô phỏng lại các động tác thể dục của con người
như những động tác sau:

Hình 2.3: Động tác 1.

Hình 2.4: Động tác 2.

Hình 2.5: Động tác 3.
12

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Hình 2.6: Động tác 4.

-

Động tác 1 là chuyển động của khớp A2.

-

Động tác 2 là kết hợp giữa chuyển động của khớp A1 và A4.

-

Động tác 3 là chuyển động của khớp A1.

-

Động tác 4 là chuyển động của khớp A3.
Để thực hiện các động tác thể dục đơn giản, cánh tay robot cần ít nhất 4

bậc tự do A1, A2, A3, A4.

Hinh 2.7: Mô hình vật lý cánh tay robot được đề xuất.
13


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.2.

Phương án điều khiển:

Có nhiều phương pháp để cánh tay robot thực hiện nhiệm vụ, các phương
pháp có thể thực hiện được trình bày dưới đây:

 Phương pháp 1:

Ý tưởng: Robot thực hiện động tác bằng cách trực tiếp cầm cánh tay
robot và ghi nhớ những vị trí mà điểm cuối của cánh tay đi qua, hoặc
ghi nhớ sự thay đổi về góc quay ở mỗi khớp.

-

Ưu điểm: Đơn giản, không cần dùng nhiều thiết bị, dễ dàng thực hiện.

-

Nhược điểm: Các cơ cấu vận hành có thể chuyển động cưỡng bức,
phải trực tiếp tiếp xúc với robot, không thể điều khiển từ xa.

 Phương pháp 2:

Ý tưởng: Sử dụng cảm biến góc gắn lên khớp của cánh tay người, cảm
biến sẽ tính góc và truyền đến bộ điều khiển để ra lệnh cho cánh tay
robot làm theo.

14

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Hình 2.8: Cảm biến MPU6050.

Hình trên là cảm biến góc được sử dụng phổ biến MPU6050.

-

Ưu điểm: Điều khiển đơn giản, thiết bị rẻ tiền.

-

Khuyết điểm: Phải gá đặt cảm biến lên cánh tay người, giao tiếp giữa
người và robot là giao tiếp có dây.

 Phương pháp 3:

Ý tưởng: Sử dụng camera chụp ảnh tư thế tay của người. Dùng thuật
toán xử lý ảnh để tìm ra vị trí điểm cuối của cánh tay người so với gốc
tọa độ trên robot, sử dụng kết quả bài toán động học vị trí để tính góc ở
các khớp.

15


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Hình 2.9: Minh họa về board camera.

-

Ưu điểm: Giao tiếp giữa người và robot là không dây. Có nhiều lựa
chọn về thông số: tốc độ truyền, độ phân giải, chuẩn truyền, giá
thành..tùy theo yêu cầu sủ dụng, kích thước nhỏ gọn, phù hợp với các
ứng dụng cần gá đặt trực tiếp lên robot.

-

Khuyết điểm: Chi phí cao, thuật toán calip và xử lý 3D phức tạp.

 Phương pháp 4:

Ý tưởng: Sử dụng cảm biến kinect của microsoft để bắt bản đồ khung
xương từ người đứng trước cảm biến. Tính toán góc dựa vào các vector
3D được truy xuất ra từ thư viện của cảm biến và truyền dữ liệu góc đến
robot để thực hiện nhệm vụ.
16


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Hinh 2.10: Cảm biến kinect.

-

Ưu điểm: Giao tiếp giữa người và robot là giao tiếp không dây. Thư
viện hỗ trợ mạnh từ nhà sản xuất. Thuật toán điều khiển không quá
phức tạp.

-

Khuyết điểm: Chi phí cao, phần cứng phụ thuộc nhà sản xuất và
không thể thay đổi, khó khăn với các ứng dụng cần phải gá đặt cảm
biến lên những robot có kích thước nhỏ.

⇒ Từ tính chất của đề tài, phương pháp 4 được lựa chọn.

 Giới thiệu về cảm biến Kinect:

Kinect là một thiết bị đầu vào, là cảm biến chuyển động do hãng
Microsoft sản xuất, cho phép người dùng điều khiển, tương tác với hệ
thống mà không cần tay cầm điều khiển.
17


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Hình 2.11: Cấu tạo chính của Kinect.

Hình 2.12: Sơ đồ khối của Kinect.

 Cảm biến chiều sâu:

Bao gồm bộ phát hồng ngoại (Infrared light) và camera hồng ngoại
(depth image CMOS) đóng vai trò là bộ thu, tạo ra giá trị độ sâu bằng công
nghệ Light Coding. Kĩ thuật Light Coding dùng nguồn sáng hồng ngoại chiếu
liên tục kết hợp với một camera hồng ngoại để tính khoảng cách. Việc tính
toán này được thực hiện bằng chip PS1080 Soc của PrimeSen. Kích cỡ ảnh là
640x480 pixel, tốc độ lên đến 30 khung hình trên giây.
18

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Khi tương tác với kinect trên nền windows ta có thể cài đặt phạm vi của cảm
biến.

Hình 2.13: Hai chế độ phạm vi hoạt động của Kinect.
 Camera RGB-D:
Chức năng chính của camera này là nhận biết ba màu đỏ - xanh lá – xanh
dương. Camera sẽ chụp một ảnh màu (RGB) và thực hiện một phép đo chiều
sâu (D). Với kích thước ảnh là 1280x960 pixel thì tốc độ 12 khung hình trên
giây. Tốc độ sẽ cao hơn, 30 khung hình trên giây đối với ảnh có kích cỡ
640x480 pixel. Khi chụp kết hợp với camera đo độ sâu để tạo ra được ảnh thể
hiện độ sâu thông qua màu sắc.

Hình 2.14: Ảnh thể hiện độ sâu từ Kinect.
19


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Các tín hiệu thu thập từ Kinect bao gồm dữ liệu về độ sâu, màu sắc và
âm thanh trong đó tín hiệu về độ sâu là dữ liệu quan trọng. Sở dĩ dữ liệu về độ
sâu có tầm quan trọng như vậy bởi nó giúp việc nhận dạng các vật thể đơn
giản hơn nhiều so với xử lý ảnh thông thường. Các thuật toán xử lý ảnh thông
thường dựa vào sự tương đồng về màu sắc, tuy nhiên, có thể những vật có mầu
sắc tương tự nhau nhưng không cùng một vật thể hoặc các phần của cùng một
đối tượng nhưng có mầu khác nhau,do vậy gây khó khăn trong quá trình nhận
dạng. Trong khi đó, với thông tin về độ sâu, các vật thể được phân biệt với
nhau thông qua vị trí. Những điểm có khoảng cách gần nhau có xu hướng
cùng một đối tượng mà không phân biệt mầu sắc. Chỉ khi độ sâu giảm đột

ngột như ở cạnh và ở một số phần nhỏ của đối tượng thì khi đó, hình ảnh trên
bản đồ độ sâu mới có sự thay đổi. Với dữ liệu độ sâu thu thập được, kinect có
khả năng tạo ra bản đồ về bộ xương của người đứng trước cảm biến. Từ đó,
xác định được cử chỉ, hành động của người sử dụng dùng làm tín hiệu đầu vào
cho robot.

20


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
 Bản đồ về khung xương người:
Microsoft hỗ trợ thư viện SDK v1.8 cho người dùng dễ dàng hơn trong
tương tác với cảm biến kinect trên nền .NET của Window. Thư viện hỗ trợ
khởi tạo Kinect, tự động calip, bắt các tọa độ điểm ảnh trên khung xương.
Công việc của lập trình viên là lập trình giao diện để người dùng tương tác với
kinect, dùng hàm để vẽ lên khung xương, sử dụng các giải thuật hình học
trong không gian ba chiều để suy thông số đầu ra mong muốn.

Hình 2.15: Bản đồ khung xương.
-

Ưu điểm: Được sản xuất dưới dạng thiết bị tích hợp nhiều chức năng, có nhiều
sự hỗ trợ từ nhà sản xuất khi giao tiếp với cảm biến.

-

Khuyết điểm: Giá thành cao, phụ thuộc vào thông số mặc định của camera tích
hợp trên cảm biến, kích thước cồng kềnh.
Hệ thống không cần phải gá thiết bị lên robot và chủ yếu là dễ dàng kết nối với
máy vi tính nên chọn cảm biến Kinect.

21


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.3.

Phương án truyền động:
Các phương án tạo chuyển động xoay như sau:
 Đặt cơ cấu vận hành tại khớp

Hình 2.16: Đặt cơ cấu vận hành tại khớp.

Phương án này dùng cơ cấu vận hành đặt tại khớp trực tiếp truyền
chuyển động cho khớp.

-

Ưu điểm: Truyền động đơn giản.

-

Nhược điểm: Khó khăn trong việc lựa chọn kích cỡ cơ cấu vận hành, do
không gian tại khớp có giới hạn. Các động cơ nhỏ, công suất lớn thường
có giá thành cao.

22


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

 Thông qua bộ truyền:

Hình 2.17: Truyền chuyển động quay qua bộ truyền.

-

Ưu điểm: Có nhiều không gian để bố trí cơ cấu vận hành. Vì vậy, không bị
giới hạn về kích thước, dễ dàng lựa chọn.

-

Nhược điểm: Cơ cấu truyền động phức tạp, hiệu suất giảm. Phải có biện
pháp khử rơ khi điều khiển cần độ chính xác cao.

Với mục tiêu thiết kế tay máy giống với tay người thật. Vì vậy truyền động
cần moment lớn. Ta chọn phương án sử dụng bộ truyền.

 Lựa chọn bộ truyền:

Các bộ truyền được đề xuất:
-

Bộ truyền đai răng.

-

Bộ truyền xích.

-

Bộ truyền dây.

-

Bộ truyền Harmonic.
23


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

-

Bộ truyền đai răng, bộ truyền xích hay bộ truyền dây đều có khoảng cách
trục lớn:

-

Bộ truyền đai răng: Hiệu suất cao, làm việc êm, tỉ số truyền và công suất
truyền lớn, không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai.

-

Bộ truyền xích: Hiêu suất cao, không xảy ra hiện tượng trượt, kích thước
bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai khi truyền cùng công suất và số vòng
quay, làm việc ồn, cần bôi trơn thường xuyên.

-

Bộ truyền dây: Kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ, dễ quy định chiều dài, giá

thành rẻ, chỉ truyền công suất nhỏ.

Với khoảng cách trục lớn thì ưu điểm sẽ tạo nhiều không gian để bố trí
động cơ. Tuy nhiên, kích thước robot lớn và sẽ khó đáp ứng được yêu cầu
thiết kế tay máy robot với thông số kích thước giống với tay người thật.

-

Bộ truyền Harmonic: Hiệu suất cao, tỉ số truyền lớn, triệt tiêu được khoảng
cách trục, giá thành cao.

- Lựa chọn: Bộ truyền Harmonic.

24


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.4.

Hệ thống điện:
Hệ thống điện của Robot gồm những bộ phận sau:
 Hệ thống nguồn.
 Hệ thống điều khiển.
 Hệ thống vận hành và cảm biến.

Hình 2.18: Sơ đồ tổng quát hệ thống điện.

25