THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY ĐÁNH BÓNG BÀN

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Khoa học kĩ thuật đã phát triển nhanh chóng trong hơn ba chục năm trở lại đây,
đặc biệt là các ngành thị giác máy tính, trí tuệ nhân tạo, phần cứng robot và đã tạo sự
phát triển vượt bậc trong ngành robotic. Bây giờ, thuật ngữ “robot” không còn giới hạn
là các loại robot công nghiệp. Các robot bây giờ có thể hoạt động rong các môi trường
khác nhau, đáp ứng lại sự thay đổi liên tục của môi trường, phục vụ cho nhiều mục đích
khác nhau. Các robot hoạt động trong môi trường thay đổi phải có khả năng nhận biết
được môi trường,dự đoán các hoạt động sắp xảy ra và thực hiện các hành động để đáp
ứng lại sự thay đổi đấy. Robot đánh bàn bàn là một loại mô hình robot thực hiện các
chức năng như trên. Đề tài luận văn sẽ phát triển một mô hình cánh tay robot có khả
năng đánh trả lại bóng.
Nội dung đề tài bao gồm tính toán thiết kế cơ khí, phân tích bài toán động học, xây
dựng các hệ thống thị giác để xác định tọa độ bóng từ đó dự đoán được quỹ đạo của
bóng dựa trên các mô hình vật lí. Sau cùng sẽ điều khiển cánh tay đánh trả lại bóng. Do
giới hạn về thời gian và kinh phí, đề tài chỉ giới hạn việc xây dựng các mô hình trong
trường hợp bóng không xoáy và vận tốc của bóng từ 3 đến 5m/s. Đề tài sử dụng hai
camera do đó yêu cầu cần phải đảm bảo dữ liệu được đồng bộ và quá trình điều khiển
robot đáp ứng được thời gian thực, do đó đề tài thực hiện việc lập trình song song sử
dụng pthread trên hệ điều hình Linux giúp quản lí thời gian và đồng bộ dữ liệu dễ dàng
hơn. Các giải thật xử lí sẽ tập tung vào tính chính xác và thời gian xử lí nhanh để bắt kịp
tốc độ di chuyển của bóng. Quỹ đạo chuyển động của robot được thiết lập trong không
gian các góc khớp và chia thành các giai đoạn khác nhau giúp robot di chuyển tốt hơn,
tránh rung lắc.

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................. Error! Bookmark not defined.
TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................................i
MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH ...........................................................................................vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG ..........................................................................................ix
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1 Cấu hình hệ thống robot đánh bóng bàn ................................................................2
1.2 Hệ thống thị giác ....................................................................................................4
1.3 Hệ thồng điều khiển ...............................................................................................7
1.3.1 Dự đoán quỹ đạo quả bóng đang tới ................................................................8
1.3.2 Xác định tư thế và vận tốc của vợt tại thời điểm chạm bóng. .........................8
1.3.3 Lập kế hoạch chuyển động cho robot ..............................................................9
1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài ..................................................................10
1.4.1 Mục tiêu .........................................................................................................10
1.4.2 Nhiệm vụ........................................................................................................10
1.4.3 Phạm vi đề tài ................................................................................................10
CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ................................................................11
2.1 Lựa chọn số bậc tự do ..........................................................................................11
2.2 Chọn cơ cấu truyền động .....................................................................................11
2.2.1 Truyền động trực tiếp ....................................................................................11
2.2.2 Truyền động qua bộ truyền đai răng ..............................................................12
2.2.3 Truyền dộ qua bộ truyền bánh răng ...............................................................12
2.3 Lựa chọn động cơ .................................................................................................12
ii


2.3.1 Phương án sử dụng động cơ bước .................................................................13
2.3.2 Phương án sử dụng động cơ DC- servo .........................................................13
2.3.3 Phương án sử dụng động cơ RC servo ..........................................................14
2.3.4 Phương án sử dụng động cơ AC- servo .........................................................15
2.4 Chọn bộ điều khiển ..............................................................................................15
2.5 Lựa chọn camera ..................................................................................................17

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ .....................................................18
3.1 Mục tiêu thiết kế cơ khí .......................................................................................19
3.2 Tính toán công suất động cơ ................................................................................19
3.2.1 Tính momen động cơ RC servo .....................................................................19
3.2.2 Tính momen động cơ step .............................................................................20
3.3 Tính toán bộ truyền đai răng cho khớp hai và ba .................................................21
3.3.1 Thông số thiết kế ...........................................................................................21
3.3.2 Tính toán thiết kế ...........................................................................................21
3.3.3 Tính toán kiểm nghiệm ..................................................................................22
3.4 Tính trục bộ truyền đai răng .................................................................................23
3.4.1 Thông số thiết kế ...........................................................................................23
3.4.2 Tính toán thiết kế ...........................................................................................24
3.4.3 Tính toán kiểm nghiệm ..................................................................................25
3.5 Chọn ổ bi cho trục bánh đai .................................................................................26
3.6 Thiết kế và kiểm tra bền các khâu của cánh tay robot .........................................27
3.7 Thiết kế và kiểm bền các chi tiết gá đỡ cánh tay .................................................32
3.8 Kết luận ................................................................................................................34
CHƯƠNG 4. ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT ....................................................35
4.1 Đặt hệ tọa độ ........................................................................................................35
iii


4.2 Bảng thông số D-H...............................................................................................35
4.3 Bài toán động học thuận.......................................................................................36
4.4 Động học ngược cánh tay robot ...........................................................................38
4.5 Ma trận Jacobian ..................................................................................................41
4.6 Không gian làm việc và điểm kì dị của robot ......................................................45
4.7 Kết luận ................................................................................................................46
CHƯƠNG 5. HỆ THỐNG ĐIỆN ...............................................................................47
5.1 Sơ đồ điện.............................................................................................................47

5.2 Mạch điều khiển TivaC ........................................................................................48
5.2.1 Đặc điểm nổi bật TM4C123GH6PM MCU ..................................................48
5.2.2 Module Timer ................................................................................................49
5.3 Động cơ RC servo ................................................................................................50
5.4 Driver và động cơ bước........................................................................................51
5.5 Khối nguồn ...........................................................................................................53
CHƯƠNG 6. HỆ THỐNG THỊ GIÁC ......................................................................54
6.1 Xác định vị trí của quả bóng trong ảnh. ..............................................................55
6.1.1 Subtract Background .....................................................................................53
6.1.2 Lấy ngưỡng HSV ...........................................................................................56
6.1.3 Ngưỡng sử dụng đặc điểm về hình dạng .......................................................57
6.1.4 Cửa sổ động ...................................................................................................59
6.2 Lập trình và tính toán song song ..........................................................................59
6.3 Xác định tọa độ 3D ..............................................................................................60
6.3.1 Hệ thống camera ............................................................................................60
6.3.2 Mô hình camera Pinhole ................................................................................62
6.3.3 Tính tóa tọa độ 3D từ tọa độ 2D ....................................................................63
iv


6.4 Kết quả thực nghiệm ............................................................................................65
6.4.1 Calib Camera .................................................................................................65
6.4.2 Kết quả tính tọa độ 3D ...................................................................................67
6.5 Kết luận ................................................................................................................68
CHƯƠNG 7. MÔ HÌNH VẬT LÍ DỰ ĐOÁN QUỸ ĐẠO QUẢ BÓNG ................69
7.1 Mô hình khí động lực học (ADM) .......................................................................70
7.2 Mô hình va chạm ..................................................................................................72
7.2.1 Va chạm với bàn ............................................................................................72
7.2.2 Va chạm với vợt (RRM) ................................................................................76
7.3 Dự đoán quỹ đạo của bóng...................................................................................77

7.4 Kết quả thực nghiệm ............................................................................................78
7.4.1 Xác định hệ số của mô hình ADM ................................................................78
7.4.2 Xác định các hệ số của mô hình va chạm ......................................................78
7.4.3 Quỹ đạo thực nghiệm.....................................................................................80
7.5 Kết luận ................................................................................................................83
CHƯƠNG 8. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .................................................................85
8.1 Xác định trạng thái của vợt tại điểm va chạm......................................................86
8.2 Lập quỹ đạo chuyển động cho robot ....................................................................90
8.2.1 Quỹ đạo di chuyển robot từ vị trí chờ đến vị trí chạm bóng .........................91
8.2.2 Quỹ đạo di chuyển robot đến lúc vận tốc bằng không ..................................92
8.2.3 Quỹ đạo di chuyển robot đến vị trí chờ .........................................................92
8.3 Kết quả thực nghiệm ............................................................................................93
8.4 Kết luận ................................................................................................................97
PHỤ LỤC .....................................................................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................102
v


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống robot chơi bóng bàn ..........................................................2
Hình 1.2: 6 DOF Robot (Andersson, 1988) ...................................................................3
Hình 1.3: 5 DOF Robot (Acosta, 2003)..........................................................................3
Hình 1.4: 4 DOF Robot (Miyazaki, 2005)......................................................................3
Hình 1.5: Robot 4 bậc tự do (Liu et al. in 2008) ............................................................4
Hình 1.6: 5 DOF Robot (Yang et al. in China in 2010) .................................................4
Hình 1.7: Nhiệm vụ hệ thống điều khiển........................................................................7
Hình 1.8: Mô tả quá trình điều khiển vợt .......................................................................9
Hình 1.9: Kế hoạch chuyển động của robot ...................................................................9
Hình 2.1: Cấu hình robot ..............................................................................................11
Hình 2.2: Động cơ bước ...............................................................................................13

Hình 2.3: Động cơ DC servo ........................................................................................13
Hình 2.4: RC servo .......................................................................................................14
Hình 2.5: Động cơ AC servo ........................................................................................15
Hình 2.6: Vi điều khiển TM4C123GH6PM .................................................................16
Hình 2.7: Bộ xử lý ảnh công nghiệp của hãng Keyence. .............................................16
Hình 3.1: Sơ đồ truyền động của robot.........................................................................18
Hình 3.2: Phân tích lực tác dụng ..................................................................................24
Hình 3.3: Biểu đồ momen.............................................................................................25
Hình 3.4: Đặc tính ổ bi 608zz .......................................................................................27
Hình 3.5: Thiết kế khâu 2 .............................................................................................28
Hình 3.6: Thiết kế khâu 3 .............................................................................................28
Hình 3.7: Ứng suất khâu 2 khi chịu nén .......................................................................29
vi


Hình 3.8: Chuyển vị khâu 2 khi chịu nén .....................................................................29
Hình 3.9: Ứng suất khâu 2 khi chịu uốn .......................................................................30
Hình 3.10: Chuyển vị khâu 2 khi chịu uốn ...................................................................30
Hình 3.11: Ứng suất khâu hai khi xét thêm lực quán tính ............................................30
Hình 3.12: Chuyển vị khâu hai khi xét thêm lực quán tính ..........................................31
Hình 3.13: Ứng suất khâu ba ........................................................................................31
Hình 3.14: Chuyển vị khâu ba ......................................................................................31
Hình 3.15: Cụm chi tiết gá động cơ và bánh đai ..........................................................32
Hình 3.16: Kết cấu cụm gá bánh đai và động cơ ..........................................................32
Hình 3.17: Chi tiết đế tròn ............................................................................................33
Hình 3.18: Phân tích ứng suất chi tiết gá động cơ ........................................................33
Hình 3.19: Phân tích ứng suất chi tiết đế tròn ..............................................................34
Hình 3.20: Mô hình 3D hoàn chỉnh ..............................................................................34
Hình 4.1: Hệ tọa độ cánh tay robot ...............................................................................35
Hình 4.2: Không gian làm việc của robot .....................................................................46

Hình 5.1: Sơ đồ điện của hệ thống ...............................................................................47
Hình 5.2: Vi điều khiển TivaC TM4C123GH6PM ......................................................48
Hình 5.3: Tên các Timer và các chân CCP tương ứng .................................................49
Hình 5.4: Sơ đồ xung điều khiển động cơ RC servo ....................................................50
Hình 5.5: Sơ đồ khối Driver Leashine DM542-05 .......................................................51
Hình 5.6: Sơ đồ kết nối driver với động cơ và điều khiển ...........................................52
Hình 6.1: Hoạt động của hệ thống thị giác ...................................................................54
Hình 6.2: Quá trình xử lí ảnh ........................................................................................55
Hình 6.3: Hình ảnh trước khi xử lí ...............................................................................57
Hình 6.4: Hình ảnh sau khi áp dụng ngưỡng HSV và Subtract Background ...............57
vii


Hình 6.5: Hình ảnh sau khi thực hiện lấy đường viền ..................................................58
Hình 6.6: Kết quả sau khi lấy ngưỡng về hình dáng ....................................................58
Hình 6.7: Xử lí song song .............................................................................................60
Hình 6.8: Hệ thống Camera ..........................................................................................61
Hình 6.9: Phương pháp tam giác ..................................................................................61
Hình 6.10: Phần chung của 2 camera ...........................................................................62
Hình 6.11: Mô hình camera Pinhole .............................................................................62
Hình 6.12: Bố trí camera thực tế ..................................................................................65
Hình 6.13: Hình ảnh calib camera 1 .............................................................................67
Hình 6.14: Hình ảnh calib camera 2 .............................................................................67
Hình 7.1: Quỹ đạo chuyển động của bóng ...................................................................69
Hình 7.2: Hệ tọa độ của bàn, vợt và bóng ....................................................................70
Hình 7.3: Lực tác dụng vào bóng .................................................................................70
Hình 7.4: Vận tốc bóng trước và sau va chạm .............................................................72
Hình 7.5: Mô hình va chạm với vợt..............................................................................76
Hình 7.6: Xác định hệ số et ...........................................................................................79
Hình 7.7: Xác định hệ số kt...........................................................................................79

Hình 7.8: Xấp xỉ tọa độ quả bóng theo đường cong bậc hai ........................................81
Hình 7.9: Quỹ đạo dự đoán của quả bóng ....................................................................82
Hình 8.1: Các công việc cần xử lí của hệ thống robot đánh bóng bàn .........................85
Hình 8.2: Chuyển động va chạm của bóng ...................................................................88
Hình 8.3: Kế hoạch chuyển động của robot .................................................................90
Hình 8.4: Đồ thị thể hiện vận tốc và góc xoay của các khớp .......................................96
Hình 8.5: Một số tư thế của robot khi đánh trả.............................................................98

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Sự phát triển hệ thống thị giác cho robot đánh bóng bàn...............................5
Bảng 2.1: Bảng so sánh các bộ xử lý ảnh. ....................................................................16
Bảng 2.2: Bảng so sánh các loại camera. ......................................................................17
Bảng 3.1: Khối lượng các chi tiết của robot .................................................................19
Bảng 3.2: Đặc tính của hợp kim nhôm 1060 ................................................................28
Bảng 4.1: Thông số D-H ...............................................................................................35
Bảng 5.1: Thông số điện áp nguồn cấp cho hệ thống ...................................................53
Bảng 6.1: Một số kết quả xác định tọa độ 3D của bóng ...............................................68
Bảng 7.1: Tọa độ của bóng theo thời gian ....................................................................80
Bảng 7.2: Kết quả thực nghiệm ....................................................................................83
Bảng 8.1: Giá trị thực nghiệm vận tốc của cánh tay .....................................................96
Bảng A.1: Số liệu quỹ đạo thực nghiệm của quả bóng.................................................99

ix


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADM:

Aerodynamics model

LSM:

Least square method

RRM:

Racket rebound model

SAM:

Sample Aerodynamics model

x


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Trong những thập niên trở lại đây, các robot hoạt động trong môi trường động
(dynamic), không cấu trúc ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của giới khoa học.
Không giống như các loại robot sử dụng trong công nghiệp chỉ thực hiện một công việc
cố định, lặp đi lặp lại trong môi trường cấu trúc, các robot hoạt động trong môi trường
động phải nhận thức được môi trường xung quanh bằng hệ thống cảm biến, dự đoán
trước xu hướng của các đối tượng và lập kế hoạch đường đi để tương tác lại sự thay đổi
của môi trường.
Robot đánh bóng bàn là một trường hợp của robot hoạt động trong môi trường
không cấu trúc. Để có thể đánh trả lại bóng về phía đối thủ, robot phải xác định được
qũy đạo chuyển động của quả bóng, lập kế hoạch chuyển động, điều khiển vận tốc và tư

thế của vợt để có thể trả lại bóng với vận tốc và vị trí mong muốn bên phần sân đôi thủ.
Các nghiên cứu về robot đánh bóng bàn được bắt đầu quan tâm kể từ những năm
80 của thế kỉ trước khi mà Giáo sư John Billingsley ở đại học Portsmouth bắt đầu cuộc
thi về robot chơi bóng bàn[1]. Kể từ đó, các nghiên cứu về robot chơi bóng bàn đã trở
thành một đề tài nóng bởi độ khó và các thách thức về vấn đề thị giác, real-time và điều
khiển thông minh. Robot chơi bóng bàn đầu tiên là do Andersson thuộc phòng thí
nghiệm AT&T Bell phát triển năm 1988 [1]. Sau đó đã có rất nhiều các robot được
nghiên cứu và phát triển. Cùng với sự phát triển của khoa học, kĩ thuật thì các robot
ngày càng hoàn thiện và hoàn toàn có thể chơi cùng với con người. Năm 2011, tại đại
học Zhejiang đã phát triển một hệ thống humanoid robot có khả năng tự thi đấu bóng
bàn với nhau và có thể chơi cùng với con người. Đặc biệt vào năm 2013, hãng KUKA
đã công bố một video về một trận đấu thực thụ giữa robot với ngôi sao bóng bàn số một
thế giới Timo Boll. Ở Việt Nam công ty Tosy cũng đang phát triển một robot hình người
chơi bóng bàn với tên gọi là TOPIO, robot này đã trải qua ba phiên bản và đang được
cải thiện, hiện tại robot đã có thể chơi bóng ở mức độ cơ bản. Một cái nhìn tổng thể về
các loại robot chơi bóng được được tổng hợp tại [2].
Một hệ thống robot đánh bóng bàn sẽ gồm ba phần chính: Hệ thống thị giác để
nhận biết vị trí bóng, hệ thống điều khiển thực hiện chức năng dự đoán quỹ đạo, tính
toán và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu tác động để đánh trả lại bóng.
1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Cấu hình hệ thống robot đánh bóng bàn

Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống robot chơi bóng bàn
Kể tử năm 1983 đến nay đã có nhiều mô hình robot khác nhau dùng để đánh trả lại
bóng về phía đối thủ. Hầu hết các hệ thống đều là các cánh tay robot, với năm đến bảy
bậc tự do dùng để điều khiển vị trí và hướng của vợt. Số bậc tự do càng cao, tay máy
càng linh hoạt, việc đánh trả lại bóng sẽ dễ dàng và mượt mà hơn. Số lượng camera có

thể là một, hai hay thậm chí bốn camera. Tuy nhiên hầu hết các hệ thống sử dụng hai
bóng camera để xác định vị trí quả. Hình 1.2 là hệ thống của thập kỉ 80 của thế kỉ trước,
được phát triển bởi Andersson. Hệ thống là một cánh tay PUMA 260, 6 bậc tự do cùng
với bốn camera để phát hiện quả bóng. Đây là robot đầu tiên có khả năng chơi cùng với
con người.
Năm 2003, L. Acosta [3] xây dựng robot với chi phí thấp sử dụng hai vợt như trên
Hình 1.3. Robot có 5 bậc tự do, sử dụng 1 camera để xác định vị trí 3D của quả bóng
dựa trên quan hệ hình học giữa trái banh và bóng của nó. Thực tế, robot có thể đánh trả
lại bóng bay với tốc độ nhỏ ( < 5m/s). Tuy nhiên kích thước của bàn chỉ một nữa so với
thực tế.
Hình được 1.4 là một hệ thống phát triển bởi Miyazaki, có 4 bậc tự do, trong đó 2
bậc dùng để di chuyển robot trong mặt phẳng ngang và hai bậc còn lại dùng để điều
hướng cho robot. Hệ thống sử dụng camera stereo để đo vị trí quả bỏng từ hình ảnh thu
được. Tần số của camera là 1/60s. Hệ thống robot này có thể đánh trả lại bóng với vị trí
mong muốn và trong khoảng thời gian quy định.
2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.2: 6 DOF Robot (Andersson, 1988)

Hình 1.3: 5 DOF Robot (Acosta, 2003)

Hình 1.4: 4 DOF Robot (Miyazaki, 2005)
Hệ thống trong hình 1.5 dựa trên hệ thống SCARA robot, có bốn bậc tự do. Trong
đó ba bậc dùng để di chuyển robot theo các phương x,y,z. Bậc tự do còn lại dùng để
điều khiển khớp cổ tay. Hai camera với tần số 60fps được sử đụng để xác định quỹ đạo
quả bóng và bo mạch Intel’s Integrated Performance Primitives được sủ dụng cho việc
xử lí hình ảnh.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.5: Robot 4 bậc tự do (Liu et al. in 2008)

Hình 1.6: 5 DOF Robot (Yang et al. in China in 2010)
Hình 1.6 thể hiện một mô hình năm bậc tự do phát triển bởi viện tự động hóa, Học
viện khoa học Trung Quốc. Robot có thể di chuyển vợt theo ba phương x,y,z như hình
(a) và xoay vợt theo góc pitch và yaw như hình (b).
Thực tế, các robot cần 5 bậc tự do để có thể đánh lại quả bóng về phía đối thủ.
Trong đó 3 bậc tự do dùng để di chuyển vợt theo các phương x,y,z và 2 bậc cho hướng
xoay của vợt (pitch và yaw). Tuy nhiên các robot với số bậc tự do lớn hơn giúp tăng sự
linh hoạt cho chuyển động đánh trả bóng, tránh được điểm kì dị trong quá trình lập kế
hoạch chuyển động.
1.2 Hệ thống thị giác
Hệ thống thị giác giống như mắt người, được sử dụng để xác định vị trí 3D và vận
tốc của quả bóng. Từ đó tiên đoán được quỹ đạo của bóng, lập kế hoạch chuyển động
cho robot để đánh lại bóng. Do đó sự chính xác của hệ thống thị giác là hết sức quan
4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
trọng vì nó sẽ quyết định trực tiếp đến sự chính xác của các giai đoạn dự đoán và điều
khiển robot.
Hệ thống thị giác bao gồm camera và phần cứng dùng để xử lí hình ảnh( PC hay
một bộ xử lí đặc biệt) . Bảng 1.1 liệt kê các hệ thống thị giác được phát triển từ năm
1988.
Số lượng camera có thể là một, hai hay nhiều hơn. Khi sử dụng một camera, chỉ

có một hình ảnh được gửi đến bộ xử lí, quá trình xử lí đơn giản mà chiếm ít chi phí. Tuy
nhiên cần có một số điều kiện khác về đèn chiếu sáng và bóng của quả banh do đó cần
có một yêu cầu nghiêm ngặc về điều kiện môi trường. Sử dụng nhiều camera hơn sẽ
giúp robot có thể hoạt động ở các điều kiện khác nhau và tăng độ chính xác, Bù lại công
việc tính toán sẽ trở nên phức tạp, mất nhiều thời gian, đồi hỏi yêu cầu cao về bộ xử lí,
đồng bộ dữ liệu, calib camera… Hầu hết các hệ thống hiện nay sử dụng hai camera.
Bảng 1.1: Sự phát triển hệ thống thị giác cho robot đánh bóng bàn
Năm

Tác giả

Số lượng camera, tốc độ, bộ xử lí

1988

Anderson

4 camera, 60Hz, MC68020 processor

1993

Fassler

2 camera, 50Hz, MC68020, MC68000 processor

2003

L. Acosta

1 camera, 40Hz, PC

2005

Miyazaki

2 camera, 60Hz, Quick MAG

2005

K.P. Modi

1 USB camera, 15Hz, work station

2005

Y. Zhang

1 camera, 60-89Hz, PC

2006

Y. Zhang

2 camera, 60-89Hz, PC

2007

Quanta-View Inc

2 camera 60Hz, Intel Xeon processors

2010

Z. Zhang

2 camera (DSP, FPGA), 250Hz, PC

2012

Li, Hailing

2 camera 150Hz, 2 PC

Trạng thái của quả bóng bao gồm ba thông số cơ bản: vị trí, vận tốc và vận tốc góc.
Trong đó vận tốc và vận tốc góc sẽ quyết định đến chiến thắng của người chơi. Tuy
nhiên, cho đến hiện tại, các hệ thống thị giác chỉ mới xác định tương đối chính xác vị trí
5


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
và vận tốc của quả bóng, việc xác định vận tốc góc vẫn còn là một công việc thách thức.
Zhang [3] trình bày một phương pháp theo dõi quả bóng trong đó vị trí của quả bóng
được xác định thông qua sự khác nhau giữa hai khung hình liên tiếp. Tuy nhiên phương
pháp dựa trên giả định rằng vận tốc góc của quả bóng nhỏ, chỉ khoảng 0-20rad/s. Nguyên
nhân là bởi vì chưa có một hệ thống thị giác cùng với các giải thuật dùng để xác định
chính xác vận tóc xoay của quả bóng ở tốc độ cao. Trong các trận đâu bóng bàn, vận
tốc của quả bóng là từ 4-30m/s. Tuy nhiên đối với robot, vận tốc quả bóng thường nhỏ
hơn 7m/s. Bởi vì nếu vận tốc lớn hơn, thời gian còn lại cho robot đáp ứng để đánh trả
bóng là ngắn. Thực tế, nếu vận tốc của bóng là 5-7m/s, thời gian từ lúc phát hiện quả
bóng tới lúc robot đánh trả lại là khoảng 400-600ms. Robot cần khoảng 300-500s để di

chuyển vớt đến vị trí chạm bóng. Do đó công việc detect bóng phải được hoàn thành
trong thời gian vài mili giây ( thời gian từ lúc camera thu hình ảnh đến lúc cho ra kết
quả xử lí khoảng 80ms), đây là một vấn đề thách thức về phần cứng và giải thuật.
Trong thi đấu bóng bàn, vận tốc xoay của quả bóng sẽ tạo nên các kĩ thuật và các
đường bóng có quỹ đạo thay đổi đột ngột giúp tạo nên chiến thắng cho người chơi. Vì
vậy robot khó có thể đấu với một tay chơi bóng chuyên nghiệp nếu không điều khiển
được bóng xoáy. Vận tốc góc của quả bóng ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo của quả bóng
như thể hiện ở [4] dựa vào sử dụng mô hình khí động học và so sánh với số liệu thực tế.
Do đó việc xác định ảnh hưởng của vận tốc góc là cần thiết. Để có thể thực hiện một
trận đấu thực thụ với con người, robot phải xác định được quả bóng xoáy và có khả năng
đánh trả bóng xoáy.
Có nhiều nghiên cứu về xác định vận tốc xoay của quả bóng xoáy. Watanabe [5]
đề xuất một giải thuật dùng để phát hiện nhiều đặc điểm trên quả bóng với một chip xử
lí tốc độ cao. Các kết quả thực nghiệm về xác định vận tốc xoay của quả bóng theo thời
gian thực được trình bày. Giải thuật dựa trên việc xác định các đặc điểm của quả bóng
trong ảnh 2D và thực hiện kết nối các đặc điểm (feature matching) giữa hai khung ảnh
liên tiếp. Sau đó xác định tọa độ 3D của tâm mỗi đặc điểm mà dùng để ước lượng vận
tốc xoay của quả bóng. Kết quả thu được khá tốt; tuy nhiên kết quả thực nghiệm cho
thấy vận tốc góc của quả banh nhỏ hơn 1200rpm. Trong khi đó vận tốc thực tế trong các
trận đấu trung bình khoảng 3000rpm (vận tốc của trái banh là khác nhau tùy vào từng
6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
kỹ thuật (2400-5100, xoáy sau), (1800-4800, xoáy trước), (300-4500 top spin reserve),
(5400-9600 high loop), (6000-9600 forward loop) [6].
Một số nghiên cứu khác sử dụng kết hợp các bộ lọc để ước lượng giá trị vận tốc
xoay của trái bóng. Hu Su [7] sử dụng bộ lọc Fuzzy để xác định chính xác tọa độ 3D
của bóng, từ đỏ sử đụng mô hình khí động học để xác định vận tốc và vận tốc xoay của
quả bóng. Jared Glover [8] sử dụng bộ lọc Quaternion Bingham cùng với việc nhận biết

nhãn hiệu có sẵn trên quả bóng để ước lượng vận tốc xoay của nó. Yifeng Zhang [9] sử
dụng một bộ lọc Extend Kalman filter. Các camera được sử dụng thường là camera có
tốc độ cao (900 fps [9]) và kết hợp với các đặc điểm có trên quả bóng như các nhãn hiệu
hay các vệt được vẽ thêm.
1.3 Hệ thồng điều khiển
Hệ thống điều khiển trong robot hoạt động động giống như não bộ con người khi
thực hiện một trận đấu bóng. Bộ não phải thực hiện phân tích quỹ đạo quả bóng tới, suy
nghĩ chiến lược để đánh trả lại bóng. Tương tự, “bộ não” của robot sẽ thực hiện các công
việc sau:
• Dự đoán quỹ đạo quả bóng đang tới
• Xác định tư thế và vận tốc của vợt tại thời điểm chạm bóng.
• Lập kế hoạch chuyển động cho robot để đánh trả lại bóng với vị trí mong muốn
trên phần sân đối thủ.
• Điều khiển robot theo kế hoạch chuyển động.

Hình 1.7: Nhiệm vụ hệ thống điều khiển
7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.3.1 Dự đoán quỹ đạo quả bóng đang tới
Sau khi thu thập thông tin về quả bóng từ hệ thống thị giác, bộ điều khiển bắt đầu
dự đoán quỹ đạo quả bóng. Việc dự đoán gồm hai mục đích chính: 1) xác định vị trí và
thời gian chạm bóng; 2)xác định các thông số trạng thái của quả bóng trước lúc chạm
vợt. Sau khi quả bóng đước đánh trả bởi đối thủ, nó sẽ bay trong không khí va chạm với
bàn sau đó quay trở lại không khí. Do đó để xác định quỹ đạo của quả bóng cần phải
xây dựng được mô hình chuyển động của quả bóng trong không khí và khi va chạm với
mặt bàn. Trong các mô hình này, vận tốc xoáy của quảbóng có ảnh hưởng lớn đối với
quỹ đạo và trạng thái của quả bóng, việc ước lượng chính xác vận tốc xoay sẽ quyết
định đến độ chính xác của quỹ đạo. Tuy nhiên một số mô hình đơn giản sẽ bỏ quả vận

tốc này và đương nhiên sẽ không áp dụng được cho trường hợp bóng xoáy [3, 10].
1.3.2 Xác định tư thế và vận tốc của vợt tại thời điểm chạm bóng.
Hãy xem xét một người chơi sẽ làm gì sau khi quyết định điểm đánh trả bóng. Họ
sẽ nghĩ làm cách nào để sử dụng vợt đánh trả bóng tới một vị trí mong muốn bên phía
đối thủ và cũng có thể mong muốn đạt được một vận tốc mong muốn ở vị trí đấy. Tương
tự robot cũng cần phải xác định vận tốc và tư thế ( vị trí và hướng) tại thời điểm chạm
bóng để có thể đưa quả bóng đến vị trí mong muốn.
Có nhiều phương pháp khác nhau để giải quyết vấn đề. Hình 1.8 mô tả phương
pháp sử dụng các mô hình khí động lực học và mô hình va chạm với vợt để xác định
vận tốc và điểm va chạm khi chạm bóng. Chunfang LIU [11] sử dụng các giải thiết về
bảo toàn động lượng, các tính chất đàn hồi của vợt để xác định vận tốc và tư thể của vợt
thông qua phương pháp hai điều kiện biên. Miyazaki [12] đề xuất phương pháp sử dụng
ba biểu đồ input-ouput tương ứng với mô hình khí động lực học và mô hình va chạm
với vợt. Biểu đồ được xây dựng dựa trên thực nghiệm chứ không phải dựa vào mô hình
vật lí. Yang [13] xác định vận tốc của vợt thông qua vận tốc của quả bóng trước khi va
chạm và vận tốc mong muốn sau khi va chạm và xét đến năng lượng bị mất mát. Để xác
định tư thế của vợt, góc pitch được giữ cố định và xác định góc yaw của vợt thông qua
góc tới của quả bóng cùng với quy luật phản xạ thông thường.

8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.8: Mô tả quá trình điều khiển vợt
1.3.3 Lập kế hoạch chuyển động cho robot
Công việc tiếp theo là lập kế hoạch chuyển động cho robot. Việc lập kế hoạch
chuyển động cho robot đánh bóng bàn khác với các robot công nghiệp dựa trên tối ưu
hóa thời gian chuyển động. Đối với robot chơi bóng bàn, để đánh trả lại quả bóng thành
công với vận tốc và vị trí mong muốn, robot phải đạt được trạng thái yêu cầu ở thời điểm

va chạm. Do đó yêu cầu đối với robot là tối ưu hóa chuyển động dưới ràng buột thời
gian cho trước. Trạng thái của robot khi va chạm bao gồm vị trí, vận tốc và góc nghiêng
của vợt mà đã được xác định từ bước trước đó.
Chuyển động của robot sẽ gồm bốn giai đoạn được lặp lại như sau: di chuyển robot
từ vị trí chờ đến vị trí chạm bóng, va chạm với bóng, di chuyển tới lúc vận tốc vợt bằng
không, quay trở về vị trí chờ (Hình 1.9). Hầu hết các quỹ đạo của robot thường là các
đa thức bậc năm được biểu diễn từ thời điểm bắt đầu đến kết thúc.

Hình 1.9: Kế hoạch chuyển động của robot
9


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Tuy nhiên, phương pháp nội suy đa thức không tính đến khả năng của động cơ. Để
tăng khả năng sử dụng của động cơ, [14] đề xuất phương pháp tăng tốc trong một thời
gian cố định bằng đa thức bậc ba và [10] sử dụng một poly line cho vận tốc.
Ở [31, 32], học cách chuyển động của con người khi chơi robot và sau đó dạy cho
robot bắt chước theo.
1.4 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài
1.4.1 Mục tiêu
Mục tiêu của đề tài sẽ thiết kế và điều khiển cánh tay robot đánh trả lại bóng. Cánh
tay phải hoạt động êm ái, không bị rung lắc và đáp ứng kịp tốc độ của quả bóng.
1.4.2 Nhiệm vụ
Xuất phát từ mục tiêu đề tài, các nhiệm vụ cần phải thực hiện của luận văn bao
gồm:
- Tìm hiểu tổng quan về robot đánh bóng bàn.
- Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế cánh tay robot.
- Thiết kế và hoàn thiện mô hình cánh tay robot.
- Phân tích động học cánh tay
- Xác định và dự đoán quỹ đạo của quả bóng.

- Thực hiện quá trình điều khiển real-time cho cánh tay đánh trả được quả bóng.
1.4.3 Phạm vi đề tài
Với điều kiện hiện có, luận văn sẽ giới hạn trong việc xây dựng mô hình robot sáu
bậc tự do có khả năng đánh trả lại bóng với tốc độ từ 3-5m/s trong trường hợp bóng
không xoáy.

10


CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.1 Lựa chọn số bậc tự do
Để có thể đánh trả lại bóng robot cần có ít nhất năm bậc tự do. Trong đó ba bậc
dùng để xác định vị trí và hai bậc còn lại dùng để xác định hướng của vợt. Tuy nhiên số
bậc tự do lớn hơn sẽ làm cho robot linh hoạt hơn, mở rộng không gian làm việc và tránh
được điểm kì dị. Tuy nhiên với số bậc tự do lớn hơn sáu, thì việc điều khiển sẽ khó khăn
hơn do bị dư bậc tự do, phương trình động học ngược không có được lời giải cụ thể bằng
phương pháp giải tích hay hình học. Khi được đó bài toán động học ngược được giải
thông qua các phương pháp số để tìm nghiệm gần đúng. Quá trình này tốn nhiều thời
gian và do đó không thích hợp cho điều khiển real-time để đáp ứng thời gian đánh trả.
Do đó đề tài sẽ lựa chọn phương án sử dụng sáu bậc tự do có cấu hình như Hình
2.1. Trong đó ba trục của khâu cuối sẽ giao nhau để có thể tìm được lời giải chính xác
của bài toán động học ngược.

Hình 2.1: Cấu hình robot
2.2 Chọn cơ cấu truyền động
Các cơ cấu truyền động có thể sử dụng bao gồm: truyền động trực tiếp, truyền
động bằng đai răng, truyền động bằng bánh răng
2.2.1 Truyền động trực tiếp
Ưu điểm:

Kết cấu đơn giản, không cần thêm các chi tiết, tiết kiệm chi phí.
11


CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Nhược điểm:
- Không thay đổi được tốc độ và momen của động cơ
- Rung động của động cơ ảnh hưởng đến các bộ phận khác
2.2.2 Truyền động qua bộ truyền đai răng
Ưu điểm:
- Truyền động được momen và tốc độ lớn.
- Khoảng cách truyền lớn. Hoạt dộng êm ái, ít gây ra rung động.
- Hiệu suất truyền cao (0.97-0.99).
Nhược điểm:
- Kích thước bộ truyền lớn, không có bảo vệ quá tải.
2.2.3 Truyền dộ qua bộ truyền bánh răng
Ưu điểm:
- Hiệu suất cao.
- Truyền được tốc độ và momen lớn, tỉ số truyền cao.
Nhược điểm:
- Kết cấu phức tạp, yêu cầu khoảng cách trục chính xác.
- Khó gia công chế tạo. Thường phải đặt mua với giá thành cao.
Kết luận: Từ những phân tích trên, bộ truyền đai răng với tỉ số truyền u = 2 sẽ
được chọn cho truyền động khâu hai và ba do yêu cầu momen cao. Động cơ khớp một
sẽ được nối trực tiếp vào khâu một.
2.3 Lựa chọn động cơ
Do yêu cầu phải điều khiển được vị trí và tốc độ cho cánh tay để có thể đánh trả
lại bóng. Vì vậy động cơ được chọn phải có khả năng điều khiển chính xác đồng thời cả
vị trí và tốc độ. Ngoài ra động cơ phải giúp robot di chuyển êm ái, không bị rung lắc.
Các loại dộng cơ có thể sử dụng bao gồm: Động cơ bước, động cơ RC servo, DC

servo và động cơ AC servo.
12


CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.3.1 Phương án sử dụng động cơ bước

Hình 2.2: Động cơ bước
Ưu điểm:
- Điều khiển chính xác vị trí và vận tốc.
- Dễ điều khiển do điều khiển vòng hở không cần tín hiệu hồi tiếp.
- Giá thành rẻ.
Nhược điểm:
- Xảy ra hiện tượng trượt bước khi quá tải.
- Momen giảm mạnh khi tăng tốc độ động cơ.
- Gây ra tiếng ồn khi làm việc.
2.3.2 Phương án sử dụng động cơ DC- servo

Hình 2.3: Động cơ DC servo
13


CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Ưu điểm:
- Điều khiển chính xác vị trí và vận tốc nhờ có encoder hồi tiếp.
- Moment khởi động lớn.
- Động cơ chạy êm, ít bị rung.
Nhược điểm:
- Độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của bộ điều khiển.
2.3.3 Phương án sử dụng động cơ RC servo

Ưu điểm:
- Dễ điều khiển, không cần có driver chuyên dùng.
- Kích thước nhỏ gọn.
Nhược điểm:
- Momen nhỏ, tốc độ thấp.
- Độ chính xác không cao.
- Các hộp số động cơ thường bị rơ
- Không bền, dễ bị hư, cháy bộ điều khiển

Hình 2.4: RC servo
14


CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.3.4 Phương án sử dụng động cơ AC- servo

Hình 2.5: Động cơ AC servo
Ưu điểm:
- Điều khiển chính xác vị trí, vận tốc và moment.
- Thường tích hợp sẵn driver do nhà sản xuất cung cấp giúp điều khiển chính xác
hơn.
- Dãy tốc độ điều khiển rộng.
Nhược điểm:
- Sử dụng nguồn điện AC lớn hơn 100V nên cần đảm bảo an toàn về điện.
- Giá thành cao, kích thước lớn.
Kết luận: Từ những phương án nêu trên, động cơ bước sẽ được lựa chọn cho ba khớp
đầu do cần momen lớn và động cơ RC sẽ được sử dụng để điều hướng của vợt do yêu
cầu momen không cao.
2.4 Chọn bộ điều khiển
Bộ điều khiển sẽ thực hiện nhiệm vụ thu thập và xử lí hình ảnh camera và điều

khiển hoạt động của cánh tay robot.
Việc sử dụng các bộ xử lí khác nhau để đảm nhiệm các nhiệm vụ khác nhau là tối
ưu, làm tăng tốc độ xử lí. Tuy nhiên do hạn chế về tài chính nên đề tài sẽ sử dụng chung
một bộ điều khiển cho cả hai công việc là thu thập và xử lí hình ảnh. Cánh tay robot sẽ
được điều khiển thông qua vi điều khiển ARM TivaC dòng TM4C123GH6PM
15