Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống tạo cảm giác 3d ứng dụng giải thuật fuzzy pid

1

CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN
1.1 Ảnh hưởng của sự phát triển khoa học lên nhu cầu giải trí
Ngày nay với sự phát triển rất nhanh và rất mạnh về các IC chip tính toán và
các bộ điều khiển kết hợp với các thiết bị điều khiển chính xác có tính đáp ứng tốt,
do đó việc ứng dụng khả năng mô phỏng và tái tạo thực tế ảo để giảm giá thành so
với thực nghiệm là nhu cầu cần rất lớn trong xã hội. Cụ thể là trong lĩnh vực dạy học
lái xe, lái tàu, huấn luyện phi công máy bay hay là phi công lái xe tăng đã và vẫn
đang được nghiên cứu phát triển. Mặt khác lĩnh vực mô phỏng thực tế ảo cũng
không kém phần có nhu cầu rất lớn trong làng giải trí 3D và các trò chơi thực tế ảo
cụ thể như xe đua thể thức F1 hay trượt tuyết hoặc thám hiểm rừng già Amazon với
cảm giác gần như thật. Đây cũng là sân chơi lành mạnh giúp cho đại đa số người dân
có thu nhập trung bình cảm nhận được những cảm giác mà thực tế đôi khi không bao
giờ có được. vì vậy vấn đề sử dụng công nghệ cao để mô phỏng thực tế ảo để ứng
dụng vào trong giả trí đang được quan tâm.
Như chúng ta cũng biết Việt Nam với hơn 80 triệu dân, kèm với tốc độ tăng
trưởng về dân số của chúng ta cũng khá nhanh so với tốc độ tăng trưởng các dịch vụ
giải trí và nhu cầu sân chơi cho giới trẻ bị thu hẹp rất nhanh do tận dụng xây dựng
nhà ở. Do đó việc trải nghiệm thực tế cho các trò chơi là rất khó. Do đó, để thỏa mãn
trong tương lai về việc trải nghiệm thực tế ảo thì các nước tiên tiến đã nghiên cứu và
chế tạo đem vào vận hành hệ thống robot mô phỏng thực tế ảo kết hợp với phim 3D
để tạo ra được cảm giác gần như thật. Hệ thống này giúp cho người tham gia thỏa
mãn về giải trí tự muốn khám phá tham quan một số nơi mà nơi đó chưa có khả
năng kinh tế đáp ứng.
Chúng ta đã biết báo chí đưa tin là một số doanh nghiệp đã đầu tư nhiểu tỷ
đồng vào Phòng chiếu phim 3D tại cụm rạp Megarstar tại TP.HCM và đầu tư nhiều
tỷ đồng cho 2 phòng chiếu phim 3D tại TP.Hà Nội. Và đầu tư phòng chiếu phim 5D
tại khu du lịch Hồ Mây của Thành Phố Vũng Tàu.
Đặc biệt một số tỉnh lị nhỏ thì chưa có cơ hội tham gia các trò chơi này. Vì

kinh phí ngoại nhập cũng như phụ tùng thay thế và sửa chửa chưa phù hợp cho thu
nhập của các thành phố còn có mức thu nhập thấp.
Vì vậy sau khi học xong kho học về tự động hoá thì em cảm nhận được nếu


nghiên cứu phát triển và thực nghiệm được bộ công cụ hỗ trợ phòng giải trí phim
3D thì là một giải quyết tốt cho nước nhà và là cơ hội để các tỉnh nhỏ lẻ có cơ hội
tham gia vào trò chơi kỹ thuật cao này.
Với mục đích xây dựng mô hình thực tế ảo kết hợp với nhưng cụm thiết bị đã
được phát triển hoàn thiện bởi các nhà cung cấp khác để phối hợp thực hiện được
một cụm phòng chiếu phim 3D với chỉ số kinh tế kỹ thuật phù hợp cho nhu cầu giải
trí của tỉnh nhỏ lẻ vì vậy hệ thống gồm các cụm thiết bị chính như sau:
o Hệ thống chiếu phim 3D: gồm máy chiếu, màn hình, phim 3D, kính
xem 3D, ...
o Ghế di động tạo cảm giá 3D (hay còn gọi robot của hệ thống): gồm
robot phần cơ khí, tủ điều khiển, bộ tạo dữ liệu cho robot theo đoạn
phim.
o Bộ tạo hiệu ứng: gồm bộ tạo khói, phun nước, mùi, ...
o Máy tính kết nối dữ liệu: gồm phần mềm đồng bộ tín hiệu các hệ
thống trên thành một chương trình quản lý cho người điều khiển dẽ sử
dụng.
1.2 Phòng chiếu phim 3D

Hình 1.1 Phòng chiếu phim với hệ thống ghế tạo cảm giác 3D


Phòng chiếu phim 3D của nước ngoài đầu tư tại khu du lịch Hồ Mây, TP.
Vũng Tàu. Với cấu trúc của phòng chiếu phim này gồm các thành phần chính như
sau:
o Màn hình + mày chiếu chiếu phim 3D

o Ghế xem phim 3D dùng cho 2 người ngồi một và các bộ ghế này hoạt
động đồng bộ và giống nhau. Các ghế này nghiêng, đưa lên và chúi
xuống theo đoạn phim đã trình chiếu trên màn hình
o Bộ tạo âm thanh ánh sáng và phun nước cho phòng chiếu.

Hình 1.2a - Ghế xem phim tạo cảm giác 3D của nước ngoài

Hình 1.2b. Ghế xem phim 3D sử dụng robot song song Tripod


Cấu trúng thông thường của ghế xem phim 3D. thông thường các ghế này
chuyển động được theo 5 bậc tự do DOF. Do vậy nên thông thường người ta chọn
cấu hình Tripod cho hệ thống này. Có thể sử dụng thuỷ lực, hay hơi háp lực cao điều
khiển bằng van khí servo hay bằng động cơ tuyến tính,...

Hình 1.3 Game đua xe 3D sử dụng robot song song Tripod
Mô hình tạo phòng chiếu phim đơn lẻ cho game cao cấp tại một đơn vị nghiên
cứu.
1.3 Giới thiệu chung về Robot ứng dụng làm ghế xem phim 3D
1.3.1 Lịch sử ra đời và phát triển Robot
Từ thập niên 50, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương
trình số NC (Numerical Control) với sự hỗ trợ của các cơ cấu Servo và các hệ điện
toán (Computation), ý tưởng kết hợp điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa
được hình thành và triển khai nghiên cứu. Vào giữa những năm 50, bên cạnh các tay
máy chép hình cơ khí, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ
như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric. Năm 1954
George C.Devo đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề dùng để chuyển
hàng theo chương trình”. Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kỹ
sư công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên năm 1969 ở
công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot đầu tiên này.

Từ năm 1972 bắt đầu thời kỳ của các Robot thế hệ thứ hai: Robot được điểu
khiển bằng máy tính có các cơ quan cảm xúc là các cảm biến liên hệ ngược. Đại
diện cho thế hệ này là Robot Shakey của viện nghiên cứu Stanford. Nó là sự
thể hiện tổng hợp của các thành tựu Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ Cơ khí - Điện
- Điện tử - Điều khiển tự động - Tin học. Robot bắt đầu được ứng dụng rộng rãi
trong hầu hết các lĩnh vực: từ sản xuất đến nghiên cứu khoa học,cả y tế và đời sống
hàng ngày.
Năm 1976 chiếc máy công cụ CNC sử dụng Microcomputer ra đời.
Những năm đầu tiên của thế kỷ 21, Robot đang bước sang thế hệ mới. Từ các
Robot điều khiển theo kiểu thao tác (Manual Input) rồi đến kiểu Dẫn - Dạy, các kiểu
điều khiển này đựợc gọi chung là điều khiển có chương trình
dẫn đường và các Robot kiểu này thường được gọi là Robot khéo léo (Robot
Habilis). Tiếp đến là các Robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh, Robot
có trí khôn (Robot Spiens).
Sự tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ gần như thuộc mọi lĩnh vực
Cơ học - Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin học - Sinh
vật học đều được thể hiện trên sự phát triển của Robot. Những ứng dụng mới nhất
của Robot vào y học có thể kể như Robot phẫu thuật và thay thế các cơ quan hoạt
động của con người, để mô phỏng các loại sinh vật.
Những kết qủa tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Sản xuất cho đến những
năm 1970 đã hình thành khoa học Roboties và Cơ - Điện tử (Mechatronics), từ đó
cũng bắt đầu đào tạo các chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot và Cơ - Điện tử.
Trong những năm gần đây, robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các
thao tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm. Xu hướng của con
người là chế tạo ra các robot thông minh, giúp việc nhà, giúp người tàn tật,... Mặc
dù có nhiều lỗ lực để phát triển robot thông minh, nhưng các loại robot có thể mô
phỏng nhiều chức năng của con người vẫn còn những hạn chế nhất định, đòi hỏi sự
phát triển của công nghệ và trí tuệ nhân tạo.

1.3.2 Robot có cấu trúc song song
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu
Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú và phù hợp cho ứng dựng
vào trong Game giải trí 3D. Trong những thập niên gần đây, Robot cấu trúc song
song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của
Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart vào năm 1965. Ông là
người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song.
Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. Thường số chân
bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc
ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot có
bệ. Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song
thường có khả năng chịu tải lớn.
Một số ưu nhược điểm của Robot song song:
Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu điểm
và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay, các khung
đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ ...
- Ưu điểm :
o Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng
của các thành phần cũng nhỏ hơn.
o Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng:
o Tât cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân. Cấu
trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép
o chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân.
o Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ chính

xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc
trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy.
o Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau.
o Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và
khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.

o Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối
lượng và kích thước nhỏ gọn.
o Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.
o Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các
chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp,
đòi hỏi độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp...
o Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di
chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc
ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường ...
o Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít
hơn so với máy CNC có tính năng tương đương.
- Nhược điểm:
Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so
sánh với các Robot chuỗi như:
o Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
o Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp...
o Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.
1.3.3 Tổng quan về robot song song 3 chân (tripod)
Robot song song tripod là một dạng robot có cấu trúc kết cấu cơ khí theo kiểu


song song, thông thường robot song song tripod bao gồm 3 thanh chống được nối
liền từ một giá cố định đến một cái giá di động. Giá di động có thể điều chỉnh mở
rộng vị trí bằng cách thay đổi các giá trị vật lý của các thanh chống, khớp nối (gọi là

thay đổi vật lý của các chân) cấu trúc song song. Thông thường các chân này được
truyền động bằng thủy lực hoặc các loại truyền trục vít bánh vít để thay đổi chiều dài
của chân.
Với sự kết hợp chuyển động của các chân làm cho giá di động mang bộ phận
công tác có thể di chuyển chủ yếu theo 3 bậc tự do bao gồm duy chuyển tịnh tiến
theo trục z trong hệ trục đề các, và xoay quanh hai trục góc Euler. Khả năng tự do
tối đa mà bộ phận công tác có thể làm việc trong không gian là 3 bậc tự do (3DOF)
(2 bậc xoay và một bậc tịnh tiến).

Hình 1.4- Robot song song tripod
Ưu điểm của robot song song
Tripod
Với cấu trúc nhiều thanh chống Tripod đạt nhiều lợi thế so với robot nối tiếp:
o Khả năng chuyển động linh hoạt với 3 bậc tự do.
o Điều khiển đạt độ chính xác và độ ổn định cao.
o Nhờ cơ cấu song song nên Tripod có độ cứng vững rất lớn với kết cấu
đơn giản
o Có thể tạo ra lực nâng và lực tác động lớn.


Nhược điểm của robot song song Tripod
Mặc dù robot song song Tripod có những ưu điểm như trên, tuy nhiên Tripod
còn nhiều hạn chế như về mặt vùng làm việc nhỏ và có đáp ứng chậm hơn so với
robot nối tiếp, vận tốc làm việc tối đa không được lớn. (nếu sử dụng các thanh là
song song như hình 1.4). Để khắc phục khuyết điểm này cần có thiết kế cơ khí phù
hợp và công nghệ cao để khắc phục như ABB đã triển khai cho robot hình 1.5 hoặc
một số giải pháp khác tuỳ theo ứng dụng và độ chính xác của hệ thống.

Hình 1.5- Robot song song tripod do ABB sản xuất

Hình 1.6 – Tripod khong có trụ đỡ ở giữa


CHƯƠNG II:
T M HIỂU V

T VẤN Ề CHO LĨNH VỰC NGHI N C U

2.1 Hệ thống và phân cụm chức n ăng cho phòng chiếu phim 3D
Với ý tưởng ứng dụng hệ thống robot song song tripod làm ghế di chuyển tạo
cảm giác 3D phục vụ cho ngành giải trí trong hệ thống chiếu phim 3D thì tổng thể
hệ thống được phân theo các chức năng và tận dụng các thiết bị đã được thiết kế
hoàn chỉnh để giảm giá thành và phù hợp với nhu cầu kinh tế của Việt nam.
Vì vậy phòng chiếu phim 3D được thiết kế với các dự định sau:
o Cụm tạo hình ảnh: Đây là phòng chiếu phim 3D dạng vừa và nhỏ
trung bình cho 4~5 cặp ghế 2 người ngồi cho một lần chiếu. Vì vậy
nên hệ thống 3D xem phim cũng không phải là cần nổi hẳn 3D. Chỉ
cần màn hình máy chiếu + LCD projector kết nối từ phim được chiếu
từ máy tính để tạo cảm giác tương đối trong phòng tối.
o Cụm tạo hiệu ứng:
Hệ thống âm thanh sử dụng các hệ thống âm thanh nổi 3D của
SamSung đã phát triển.
 Hệ thống tạo khói và nước sử dụng van mở theo tín hiệu điều
khiển ngõ vào dạng số. (được tạo offline theo từng bộ phim)
 Hệ thống tạo gió được sử dụng quạt gió công nghiệp có gắn
biến tần và tín hiệu điều khiển ngõ vào dạng Analog. (được tạo
offline theo từng bộ phim)
o Ghế xem phim 3D sử dụng kết cấu robot song song dạng Tripod có
khả năng nâng 2 người ngồi (tải trong khoảng 220kg đã bao kèm ghế
và mặt sàn) và có độ tịnh tiến theo phương Z khoảng 24 cm và góc

0

nghiêng tối đa theo các phương khoảng +/-14 . Gia tốc max khoảng
0.06m/s. (Dữ liệu tham chiếu để điều khiển ghế được tạo offline từ
trước theo từng bộ phim, có phần mềm hỗ trợ tạo dữ liệu này)


o Phần mềm trên máy tính:


Phần mềm thứ nhất là sử dụng cho người vận hành phòng chiếu
phim sau này. Phần mềm này bao gồm các dữ liệu của từng phim
được để trong ổ cứng và người trình chiếu chỉ mở chương trình và
chọn phim thì các dữ liệu được tự động mở và đồng bộ với toàn hệ
thống.



Phần mềm thứ 2 là được sử dụng tạo dữ liệu off line cho từng thiết
bị. Như gió, và dữ liệu cho ghế 3D. Vì thông thường người tạo dữ
liệu sẽ lần lượt làm từng công đoạn một. Ví dụ họ sẽ tạo tín hiệu
cho gió trước, và sau đó cho các tín hiệu số đóng mở van nước,
khói. Và sau cùng thì tạo dữ liệu cho ghế 3D. và các dữ liệu này
được phần mềm ghi nhân lại theo thời gian và được đồng bộ thành
1 file dữ liêu duy nhất cho đoạn phim đó. Vì trong quá trình tạo dữ
liệu cho ghế là khó nhất nên một bộ ghế thu nhỏ được dựng theo
mô hình của ghế thật và người tạo dữ liệu sẽ dùng tay điều khiển
mặt sàn của ghế theo cảm nhận xem được từ đoạn phim. Các dữ
liệu này chủ yếu là độ dài của 3 chân Tripod theo từng thời gian
được ghi nhận lại.

Hình 2.1 Hệ thống phòng chiếu phim 3D mini do Cty Anh Thăng đang triển khai


2.2 Sơ đồ khối cho hệ thống phòng chiếu phim 3D

Hình 2.2- Sơ đồ khối của hệ thống chiếu phim 3D
Sơ đồ hệ thống của phòng chiếu phim theo các khối trên cũng được phân theo
chức năng ở mục 2.1 thì được thể hiện trong hình 2.2 với chức năng liên kết điều
khiển các thành phần được miêu tả như sau:
Ghế tạo cảm giác 3D: các ghế (ghế 02 người ngồi và được điều khiển đồng
bộ từ máy tính), ghế này kết nối với máy tính thông qua chuẩn truyền thông RS 232,
RS 485 hoặc CAN hay USB (như hình 2.2).
Tủ điều khiển: bao gồm một mạch đệm kết nối máy tính (thông qua chuẩn
kết nối LPT, RS485, RS232 hoặc USB, hay CAN, ...); các mạch lái công suất cho
động cơ (hoặc relay đóng cắt van thủy lực ...) để tạo lực cho ghế xem phim tạo cảm
giác 3D và thiết bị điều khiển hiệu ứng điều khiển các hiệu ứng (thông qua các relay
số, van solenoid và biến tần). Bộ điều khiển này nhận file dữ liệu off-line từ máy
tính đã được tạo cho bộ phim đang chiếu, dữ liệu này chính là thông số chiều dài của
các chân ghế (đây là dữ liệu tham chiếu đầu vào cho các bộ mạch lái động cơ, hoặc
mạch lái van servo để điều khiển chân ghế xem phim có bộ phận tạo lực là động cơ
servo hay là ty thủy lực tương ứng tạo cảm giác 3D). Đồng thời cũng nhận tín hiệu
dữ liệu để điều khiển “on” hay “off” các tín hiệu tạo hiệu ứng, trong đó bao gồm 1


tín hiệu tương tự cho điều khiển hiệu ứng gió thông qua thiết bị điều khiển hiệu
ứng.
Máy tính: là nơi lưu trữ phim 3D và file dữ liệu (gồm file dữ liệu tạo cảm
giác 3D, dữ liệu các hiệu ứng) đã tạo sẵn. Máy tính có cài đặt các phần mềm như:
Phần mềm kết nối để chiếu phim 3D: có nhiệm vụ kết nối với mạch đệm kết

nối máy tính để chuyển các tín hiệu khởi động cho hệ thống ghế và hệ thống hiệu
ứng. Đồng thời kết nối dữ liệu off-line cho phim (loading file) và kết nối tín hiệu nút
“play” của phần mềm chiếu phim để thực hiện thao tác, file dữ liệu off-line được
chuyển tuần tự theo thời gian xuống cho mạch đệm của tủ điều khiển, và đây là dữ
liệu tham chiếu đầu vào cho các mạch lái hoặc mạch động lực để thực hiện tạo ra sự
di chuyển của ghế và các hiệu ứng theo tuần tự thời gian. Khi kết thúc các dữ liệu
của off-line thì gửi tín hiệu hoàn tất chiếu phim cho tủ điều khiển để phía dưới có
những động tác phù hợp kết thúc phim (như hạ ghế xuống vị trí thấp nhất, tắt các
hiệu ứng, ...)
Phần mềm tạo dữ liệu cho ghế xem phim tạo cảm giác 3D và tạo dữ liệu cho
các hiệu ứng: Phần mềm này có chức năng ghi nhớ các dữ liệu của mô hình thu nhỏ
và nhân tỷ lệ với mô hình thật tạo thành file dữ liệu off-line cho bộ phim, sau đó dựa
trên time-line của phần dữ liệu tạo cho ghế để tạo dữ liệu cho các hiệu ứng, các dữ
liệu này được phần mềm tạo dữ liệu kết hợp tạo thành dữ liệu off-line cho phim.
Mô hình ghế thu nhỏ để tạo dữ liệu off-line cho ghế xem phim tạo cảm giác
3D: là một mô hình thu nhỏ của ghế xem phim tạo cảm giác 3D, có tỷ lệ 1:5 và cấu
trúc giống ghế xem phim, trên mô hình ghế thu nhỏ này gắn các cảm biến để đo
chiều dài thực mong muốn của các chân trong qúa trình tạo dữ liệu cảm giác 3D. Dữ
liệu này thông qua một mạch kết nối máy tính được ghi nhận theo chuỗi thời gian
(10ms/lần) tạo thành file dữ liệu off-line cho việc chiếu phim.
Thiết bị tạo dữ liệu cho hiệu ứng: hiệu ứng của phim chủ yếu là ánh sáng,
khói, nước, ... (là các tín hiệu số) và gió (tín hiệu tương tự), vì vậy thiết bị này
thường bao gồm các công tắc gạt và bộ biến trở (dưới dạng chân ga xe hơi).


Mạch kết nối máy tính: kết nối máy tính với mô hình ghế thu nhỏ và thiết bị
tạo dữ liệu cho hiệu ứng, ghi nhận kết quả đo chiều dài thực của các chân mô hình
ghế thu nhỏ theo chuỗi thời gian, tạo file dữ liệu off-line lưu trữ lên máy tính phục
vụ cho việc chiếu phim.
2.3 Quy trình chuẩn bị tạo dữ liệu off -line cho bộ phim

Đây là quá trình điều khiển thiết bị theo quỹ đạo biết trước nên hay còn gọi là
điều khiển thiết bị theo dữ liệu tham chiếu đã được thiết lập trước hoặc gọi là điều
khiển theo dữ liệu offline.
Quy trình chuẩn bị tạo dữ liệu offline cho bộ phim được thực và chiếu phim
có thể được tạo bằng nhiều phương pháp. Tuy nhiên tác giả chọn phương pháp thiết
lập mô phỏng từ mô hình có kích thước tỷ lệ so với thực tế.
Một mô hình có kích thước nhỏ đủ để người làm dữ liệu dễ dàng thao tác
bằng tay để trong quá trình vừa xem phim vừa thao tác với mô hình thực nghiệm.
sau đó dữ liệu được phần mềm xử lý qua để tránh hiện tượng nhảy cấp nhanh quá
(vọt gia tốc quy định của phần cứng) để chỉnh lại cho dữ liệu được trơn chu hơn
bằng tay hoặc bằng phần mềm Excell.
Các bước chuẩn bị cho việc tạo dữ liệu: tạo dữ liệu off-line cho bộ phim được
thực thực hiện theo các bước :
o Kết nối phần cứng theo hình 2.3.
o Khởi động phần mềm tạo dữ liệu off-line và khai báo các chuẩn kết
nối
o Tạo dữ liệu off-line: thông thường để tạo dữ liệu off-line cần thực hiện
đồng bộ một lúc là xem phim 3D trên màn hình và chuyên viên điều
khiển mô hình ghế để tạo dữ liệu off-line cho ghế
o Tín hiệu tương tự (Analog) cho tín dữ liệu hiệu ứng gió được sử dụng
bàn đạp giống chân ga xe hơi để mô phỏng lại cảm giác tốc độ của
thiết bị ảo. Và các tín hiệu điều khiển dạng Digital gạt các công tắc tạo


dữ liệu off-line cho các dữ liệu hiệu ứng khói, ánh sáng, phun nước,...
o Để giảm lượng số chuyên viên làm việc cùng một lúc. Và để tiết kiệm
chi phí chi trả cho chuyên viên tạo dữ liệu và quản lý phòng chiếu
phim thì chỉ cần một người thực hiện công việc này. Thì một đoạn
code sẽ được viết để kết nối các dữ liệu cho từng công đoạn thành một
mảng dữ liệu off-line cho bộ phim.

Hình 2.3- Quy trình tạo dữ liệu
2.4 Quy trình chiếu phim chiếu phim 3D
Các bước chuẩn bị cho vận hành hệ thống được thực hiện qua các thao tác sau:
o Kết nối phần cứng theo hình 2.4
.

Hình 2.4 sơ đồ kết nối điều khiển cho các cụm chức năng của hệ thống


o Khởi động phần mềm kết nối để chiếu phim
 hai báo các chuẩn kết nối và cổng kết nối máy tính với tủ điều khiển.
K
Load tập tin dữ liệu off-line cho phim dự định trình chiếu
o Khởi động “Windows Media Player” (và chọn phim trình chiếu)
2.5 Vận hành qu trình chiếu phim
Quá trình đón khách xem phim lên ghế ngồi (nhân viên nhấn nút đón khách,
ghế sẽ ở vị trí thấp nhất)
Quá trình sãn sàng cho chiếu phim (sau khi đón khách xong và thực hiện các
thủ tục như thắt dây an toàn, ... thì nhân viên nhấn nút “sẵn sàng”. Lúc này ghế sẽ tự
động chuyển về vị trí trung lập của các chân và sẵn sàng nhận tín hiệu từ off-line
cho chuyển động tạo cảm giác)
Quá trình chiếu phim: khi nhấn nút “play” từ phần mềm “Windows Media
Player” thì lúc này phần mềm chiếu phim “bắt” tín hiệu này và thực hiện tuần tự lấy
dữ liệu off-line cho ghế và hiệu ứng gửi xuống tủ điều khiển, khi đó ghế và bộ phận
hiệu ứng sẽ thực hiệu theo dữ liệu này
Kết thúc đoạn phim cũng như kết thúc các dữ liệu trong file off-line thì phầm
mềm gửi tín hiệu xuống tủ điều khiển để hạ ghế xuống thấp nhất cho khách rời khỏi
ghế và chuẩn bị cho lần chiếu tiếp theo tuần tự như trên.

Hình 2.5 - Quy trình chiếu phim 3D


2.6

ng dụng của robot s ong song tripod cho ghế tạo cảm gi c 3D
Như đã phân tích ở trên việc lựa chọn và thiết kế được hệ thống ghế ngồi tạo

cảm giác 3D là một trong những yếu tố có thể nội địa hoá cao và làm cho giá thành
của hệ thống chiếu phim giảm đáng kể. vì vậy việc vận hành ghế ngồi xem phim cần
có sự ổn định và bền, an toàn và hiệu quả. Do đó học viên muốn sử dụng kiến thức
về Robotics của mình để tìm hiểu và triển khai ứng dụng Tripod robot vào trong ứng
dụng xem phim này. Vì hệ thống robot song song tripod có khả năng đáp ứng được
các đòi hỏi chuyển động của hệ thống chiếu phim 3D cho chuyển động 3D: rung,
lắc, lên xuống theo chuyển động của phim, tạo cảm giác thật cho người xem.
Nghiên cứu về robot song song cũng được các nhà nghiên cứu trong nước
quan tâm trong lĩnh vực chính xác cao. Cụ thể, Sở Khoa Học và Công Nghệ
TP.HCM đã cấp kinh phí cho đề tài nghiên cứu Robot song song độ chính xác cao –
sử dụng linear motor của Chủ Nhiệm Đề tài PGS.TS Lê Hoài Quốc, bên cạnh đó còn
thông qua một số đề tài nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp của sinh viên Đại học và
Cao học ở các trường đại học trong toàn quốc. Tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu tập
trung vào nghiên cứu lý thuyết để nâng cao độ chính xác và tính đáp ứng nhanh cho
robot song song.
Nhận thấy các hệ thống chiếu phim 3D ứng dụng robot song song tripod ở
Việt Nam là có nhu cầu và có đặc tính yêu cầu kỹ thuật không đòi hỏi độ chính xác
cao. Chủ yếu các hệ thống này tái tạo việc nhún lên xuống của một chuyển động và
nghiêng lắc trong phòng tối kết hợp với ánh sáng và âm thanh ngoài ra trong phim
hình ảnh dao động cũng tương đối của vật thể để tạo ra một chuyển động gần tương
tự nhằm tạo cảm giác cho người xem phim có cảm giác như mình đang trải nghiệm
thật. Do đó việc sai số có thể chấp nhận là khá lớn so với các yêu cấu khác như gia

công cắt gọt.
Trong luận văn này em tập trung ứng dụng kiến thức mình đã học để có ý
tưởng thiết kế và điều khiển được một hệ thống robot song song tripod phục vụ cho


ngành giải trí của Việt Nam với các tiêu chí và mục tiêu ban đầu như sau:
o Tìm hiểu và phân các cụm chức năng trong hệ thống tổng thể và tìm cách giải
quyết cho từng cụm chức năng chi tiết
o Lên kế hoạch để có thể hoàn thiện hệ thống chiếu phim 3D do Việt Nam sản
xuất
o Tập trung thiết kế chế tạo, cơ khí, lựa chọn động cơ, và điều khiển ghế dạng
tripod ứng dụng cho xem phim 3D, cho loại ghế 2 người ngồi xem bao gồm
phần cứng cũng như phần mềm để tiết kiệm ngoại tệ nhập cho các thết bị
cũng như phần mềm này.
o Phát triển luật điều khiển Fuzzy-PID cho ghế xem phim 3D để có đáp ứng tốt
hơn. Vì thông thường các động cơ tạo dịch chuyển của ghế xem phim được
điều khiển từ mạch lái cầu công suất DC. Thông thường bộ điều khiển cho
động cơ DC Servo của ghế được thiết kế bằng hệ thống relay (điều khiển
on/off và đảo chiều) nên xảy ra 3 trạng thái điều khiển sau:


Khi so sánh giữa dữ liệu thực tế của chân hồi tiếp về với dữ liệu trên
máy tính bằng nhau thì dừng động cơ.



Khi so sánh giữa dữ liệu thực tế của chân hồi tiếp về với dữ liệu trên
máy tính là thiếu theo chiều “+” (quy ước là hướng lên) thì khởi động
động cơ chạy theo chiều “+”



Khi so sánh giữa dữ liệu thực tế của chân hồi tiếp về với dữ liệu trên
máy tính là thiếu theo chiều “-” (quy ước là hướng xuống) thì khởi
động động cơ chạy theo chiều “-”

Với 3 trạng thái trên cùng với sự thay đổi của tải sẽ gây ra hiện tượng giật,
gây hư hỏng cho hộp số và động cơ. Để điều khiển động cơ DC Servo, giải thuật
Fuzzy-PID làm cho đáp ứng đầu ra của động cơ nhanh hơn, êm hơn, khắc phục được
những nhược điểm trên đây.


CHƯƠNG III:
NGHIÊN C U, THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO GHẾ
XEM PHIM 3D

NG DỤNG TRIPOD SONG SONG

3.1 Mục tiê u
Trong rất nhiều ứng dụng của tripod song song thì ứng dụng cho hệ thống mô
phỏng game được coi là mới mẻ và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các
nhà kinh doanh trong lĩnh vực giải trí Việt Nam hiện nay. Để đáp ứng được nhu cầu
đó, mục tiêu của chương này là “nghiên cứu , tính toán, thiết kế ghế xem phim 3D
phục vụ cho hệ chiếu phim”.
3.2. Phạ m vi ng hiên c ứu đề tài
Với mục tiêu được đặt ra như trên có rất nhiều mô hình cơ cấu cơ khí có thể
đáp ứng được nhưng ở đây trong chương này chỉ được tập trung vào một mô hình
mô hình cơ khí cụ thể bao gồm hai đế, một cái động và một cái tĩnh (là nền), liên
kết với nhau bằng 3 chân, trong đó mỗi chân thanh trượt nối với nhau bằng khớp
quay. Chân sẽ nối với đế bằng khớp quay và nối với bàn di động bằng khớp cầu.

Hình 3.1 Mô hình Tripod sử dụng thanh trượt


Trình tự công việc thực hiện cụ thể để đạt được mục tiêu trên bao gồm các
phần sau:
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của Tripod.
Phân tích phương pháp giải và xây dựng chương trình tìm kết quả bài toán
ngược của cơ cấu làm cơ sở chính cho điều khiển..
 Phân tích phương pháp giải và xây dựng chương trình tìm kết quả của bài
toán thuận .
 Phân tích tìm phương pháp xây dựng vùng không gian làm việc và phân
tích các thông số cơ cấu ảnh hưởng đến vùng không gian.
 Phân tích thiết kế và chọn các cơ cấu cơ khí lắp ráp Tripod phù hợp với yêu
cầu làm việc.
 ính toán lựa chọn động cơ, hộp giảm tốc Tripod.
T
Xây dựng chương trình điều khiển hoàn chỉnh giao tiếp dễ dàng với người
sử dụng, chuyển đổi các dữ liệu điều khiển và mô phỏng hoạt động của cơ
cấu.
3.3 Phân t ch bà i to n động họ c
3.3.1 Giới thiệu
Khi phân tích bất cứ một kết cấu cơ khí nào thì vấn đề phân tích bài toán động
học luôn được đặt ra đầu tiên. Bởi lẽ bài toán động học cho ta biết được kết cấu hoạt
động như thế nào, các thông số kết cấu, các quan hệ vị trí về động học ảnh hưởng
như thế nào đến sự duy chuyển của cơ cấu, vùng không gian mà kết cấu làm việc.
Khi một trong những giá trị các thông số này thay đổi thì quan hệ về vị trí của đế
trên và đế dưới, vùng hoạt động của đế trên cũng thay đổi theo. Bài toán động học
được chia ra làm ba bài toán nhỏ: bài toán động học nghịch, bài toán động học
thuận và bài toán vùng không gian làm việc. Nhưng trước khi bước vào bài toán

động học nghịch thì việc trước tiên là xác định số bậc tự do của cơ cấu và cụ thể
phân tích bài toán động học được chia ra thành các vấn đề sau:


3.3.2 Xác định số bậc tự do của cơ cấu:
Số bậc tự do đặc trưng cho số khả năng chuyển động tương đối của các thành
phần trong cơ cấu. Vì thế phân tích số bậc tự do có thể làm rõ hơn các hoạt động
của cơ cấu có thể thực hiện. Với Tripod số khớp và loại khớp cần được chọn đảm
bảo số bậc tự do là 3.
Từ cơ cấu lựa chọn như hình 3.1 Với mục tiêu được đặt ra như trên thì có rất
nhiều mô hình cơ cấu cơ khí có thể đáp ứng được, nhưng ở đây luận văn chỉ được
tập trung vào một mô hình cơ khí cụ thể bao gồm một giá di động và một giá cố
định, liên kết với nhau bằng 3 chân, trong đó mỗi chân gồm thanh trượt đai bi kết
nối với giá di động bằng khớp cầu quay 2 bậc tự do, chân sẽ nối với giá cố định
bằng khớp xoay 1 bậc tự do như hình thì ta có cấu trúc các khớp như sau:

Hình 3.2- Cấu trúc các khớp và thanh trượt của tripod (l1, l2, l3 là tịnh tiến được)


Xác định số bậc tự do của tripod sử dụng công thức:
j

F   (n  j  1) 

f

(3.1)

i
i1

với:
o  : số bậc tự do của khâu trong không gian(  =6).
o

n : tổng số khâu trơn, bao gồm: 2 đế + 3 thanh trượt + 3 trục = 8
khâu.

o

j : tổng số khớp trong cơ cấu gồm: 3 khớp quay + 3 khớp cầu + 3
khớp trượt = 9

o

f i : tổng số bậc tự do của các khớp trong cơ cấu: 3 khớp quay. 3 khớp

cầu và 3 khớp trượt.
ta có:

F  6(8  9  1)  (3.1  3.1  3.3)  3

Vậy ghế xem phi đã xác định có 3 bậc tự do.
3.3.3 Chọn các hệ trục toạ độ
Với một hệ thống chiếu phim 3D như đã được trình bày, để thuận lợi thì
phần cứng của hệ thống sẽ được thiết kế và chế tạo bao gồm những thành phần sau:
o Ghế xem phim tạo cảm giác 3D là robot song song 3 chân (tripod). Ghế
xem phim sử dụng 3 động cơ DC Servo và hộp số, kết hợp thanh trượt có
kết cấu tạo lực trượt bằng truyền động đai_xích. Ghế có thể chuyển động
nghiêng, lắc, lên xuống (3 bậc tự do) theo dữ liệu off-line được tạo từ bộ

phim đang chiếu, được điều khiển theo file dữ liệu tạo cảm giác 3D.


Hình 3.3 Ghế của hệ thống đã chế tạo xong
Như đã đề xuất nghiên cứu và thiết kế hệ thống ghế hỗ trợ chiếu phim 3D
với sai số và đáp ứng cho phép trong ngành giải trí, trong phần này trình bày các
thông số cơ bản của ghế xem phim tạo cảm giác 3D với chuyển động nghiêng lắc,
lên xuống dành cho 2 người xem. Những thông số sau đây của mô hình được đề
xuất sau khi tham khảo từ một số bộ chiếu phim 3D của nước ngoài để làm số liệu
ban đầu cho việc thiết kế, đó là:
o Mô hình ghế xem phim bao gồm 3 cụm chân có khả năng tạo ra chuyển động
3D
o Mô hình có khả năng hoạt động với tải trọng tối đa là 220kg
o Mô hình có tấm cố định rộng 900mm, tấm di động rộng 800mm, cao 650mm
o Tấm di động có tốc độ lớn nhất là: 0.03m/s
o Khoảng cách di chuyển song song lớn nhất của tấm di động là: 0,24cm
o Góc nghiêng lớn nhất của tấm di động là +/-14

0


o Sai số xác lập : exl = 0,02.
o Độ vọt lố POT = 0
o Thời gian xác lập txl = 0,7(s)
o Mô hình ghế xem phim có khả năng giao tiếp với máy tính, và điểu khiển
được từ máy tính thông qua dữ liệu đầu vào được chạy từ những phần mểm
tạo dữ liệu.
o Mô hình có khả năng chạy off-line (những chuyển động này được chạy theo
song song với đoạn film trình chiếu).

Hình 3.4- Chọn hệ trục toạ độ cho ghế xem phim
Ta đặt các hệ toạ độ cho ghế như hình 3.4: O và P là trọng tâm hai tam giác
A1A2A3, B1B2B3, b là cạnh của tam giác.
o O(x0,y0,z0): Hệ cố định.
o P(x,y,z): Hệ toạ độ gắn liền với bàn máy di động.


o Ai(xi,yi,zi) (i = 1,2,3): Hệ động gắn với chân thứ i. Trong đó trục x i  A i O
và trục zi cùng phương với z0.
Sử dụng các ký hiệu:
o R P : Ma trận cosin chỉ hướng của hệ P(x,y,z) so với hệ cố định O(x0,y0,z0).
o R i : Ma trận cosin chỉ hướng của hệ Ai(xi,yi,zi) so với hệ cố định
O(x0,y0,z0).
o P : Vector đại số chứa toạ độ điểm P trên hệ cố định O(x0,y0,z0).
o Ai : Vector đại số chứa toạ độ điểm Ai trên hệ cố định O(x0,y0,z0).
o Bi : Vector đại số chứa toạ độ điểm Bi trên hệ cố định O(x0,y0,z0).
o

P

Bi : Vector đại số chứa toạ độ điểm Bi trên hệ cố định P(x,y,z).

o i Bi : Vector đại số chứa toạ độ điểm Bi trên hệ cố định Ai(xi,yi,zi).
Các ma trận cosin chỉ hướng được xác định như sau:
Ma trận cosin chỉ hướng R P được xác định bởi phép quay liên tiếp: quay
quanh Z một góc  , sau đó quay quanh Y một góc  , sau đó quay quanh X
một góc  :
cos cos

(cos sin  sin   sin  cos  ) (sin  sin   cos sin  cos  ) 



RP   sin  cos  (cos cos   sin  sin  sin  ) (sin  sin  cos  
cos sin  ) 

cos  cos 
sin 
cos  sin



(3.2)


Từ đó xác định được các điểm Ai , P Bi .
Bài toán động học ngược:
Đây là bài toán khi biết vị trí của giá di động (hay quy luật chuyển động) ta
sẽ biết được các góc chuyển động α,β,γ.
Vị trí điểm Bi trên hệ cố định có thể biểu diễn như sau:
OBi  OAi  Ai Bi (i = 1,2,3)
và
từ 3.3 và 3.4 ta có:

OBi  OP  PBi

(i = 1,2,3)

(3.3)
(3.4)