Báo cáo NCKH: Nghiên cứu Thiết kế, Chế tạo Robot Đầu Người (ĐH SPKT TPHCM)

Đề tài NCKH chi tiết về quy trình thiết kế và chế tạo robot đầu người, bao gồm cơ khí, da nhân tạo silicone và hệ thống tương tác người-robot.

• Tác giả: Nguyễn Khắc Toàn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo đầu robot
• Loại tài liệu: Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đề Tài Nghiên Cứu Robot Đầu Người

Đề tài NCKH: Thiết kế và Chế tạo Robot Đầu Người là một công trình nghiên cứu khoa học độc đáo thuộc lĩnh vực Kỹ thuật công nghệ tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Dự án này được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ Thuật Cơ điện tử dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh. Robot đầu người không chỉ là một sản phẩm công nghệ tiên tiến mà còn đại diện cho sự kết hợp hoàn hảo giữa thiết kế cơ khí, hệ thống điều khiển điện tử và trí tuệ nhân tạo. Mục tiêu chính là tạo ra một robot có khả năng tương tác tự nhiên với con người, mô phỏng các biểu cảm khuôn mặt và phản ứng cảm xúc một cách chân thực.

1.1. Ý Nghĩa Của Robot Đầu Người Trong Thực Tế

Robot đầu người có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, giáo dục, và dịch vụ khách hàng. Với khả năng nhận diện cảm xúc và giao tiếp tự nhiên, robot này có thể trở thành trợ lý hữu ích trong việc chăm sóc bệnh nhân, hỗ trợ giáo dục, và cải thiện trải nghiệm khách hàng. Công nghệ này mở ra những tiềm năng mới cho tương tác người-robot trong tương lai.

1.2. Phạm Vi Nghiên Cứu Của Dự Án

Dự án bao gồm thiết kế cơ cấu cổ, hàm, môi và mắt của robot, sử dụng da nhân tạo từ cao su silicone, tích hợp hệ thống điều khiển điện-điện tử và phát triển hệ thống tương tác dựa trên AI. Mỗi thành phần được thiết kế dựa trên nền tảng giải phẫu học để đạt được độ chân thực cao nhất.

II. Các Thành Phần Cơ Khí Chính Của Robot Đầu Người

Thiết kế cơ khí là nền tảng của robot đầu người, bao gồm bốn hệ thống cơ cấu chính: cổ, hàm, môi và mắt. Mỗi cơ cấu được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động giải phẫu học để tái hiện chính xác các chuyển động tự nhiên của khuôn mặt con người. Quy trình thiết kế bao gồm phân tích lựa chọn cơ cấu, tính toán chuyển động, tính toán động lực học và lựa chọn vật liệu phù hợp. Các động cơ servo được sử dụng để điều khiển chuyển động của từng bộ phận, đảm bảo độ chính xác cao. Sử dụng công nghệ CAD hiện đại, nhóm đã tối ưu hóa thiết kế để đạt cân bằng giữa hiệu suất hoạt động và tính thẩm mỹ.

2.1. Thiết Kế Cơ Cấu Cổ Robot

Cơ cấu cổ cho phép robot xoay quanh ba trục (Ox, Oy, Oz), tái hiện các chuyển động tự nhiên của cổ người. Thiết kế sử dụng hệ thống bánh răng để truyền chuyển động từ động cơ đến các khớp cổ. Phân tích động lực học đảm bảo tải trọng và khả năng chịu lực phù hợp với trọng lượng của đầu robot.

2.2. Hệ Thống Hàm Môi Và Mắt

Cơ cấu hàm cho phép mở/đóng miệng một cách tự nhiên. Cơ cấu môi tái hiện các biểu cảm khác nhau. Cơ cấu mắt với mi mắt có thể nhắm, mở mắt hoặc nhìn theo các hướng khác nhau. Mỗi cơ cấu được tối ưu để đạt phạm vi chuyển động tối đa và độ bền cao.

III. Da Nhân Tạo Và Hệ Thống Điều Khiển Của Robot

Da nhân tạo từ cao su silicone là lớp bề ngoài quan trọng của robot, cung cấp tính thẩm mỹ và khả năng biểu cảm. Cao su silicone được lựa chọn vì tính đàn hồi cao, độ bền lâu dài và khả năng tái tạo lại các nếp nhăn tự nhiên. Quy trình chế tạo bao gồm thiết kế khuôn mặt dựa trên mô phỏng 3D, thiết kế khuôn đúc chi tiết, và quy trình đúc silicone với kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt. Hệ thống điều khiển điện-điện tử bao gồm thiết bị đầu vào (cảm biến), thiết bị xử lý (vi điều khiển), và thiết bị đầu ra (động cơ servo). Công nghệ PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ một cách chính xác.

3.1. Quy Trình Chế Tạo Da Nhân Tạo

Thiết kế hình dạng khuôn mặt bắt đầu từ quét 3D khuôn mặt người thật. Sau đó, tạo khuôn đúc từ vật liệu phù hợp. Quy trình đúc silicone được thực hiện trong môi trường kiểm soát nhiệt độ. Đánh giá chất lượng da bao gồm kiểm tra độ dẻo dai, màu sắc và mịn màng của bề mặt.

3.2. Hệ Thống Điều Khiển Và Tương Tác

Hệ thống điều khiển cho phép điều khiển tất cả các cơ cấu đồng thời. Phương pháp điều khiển PWM giúp tiết kiệm năng lượng và tăng độ chính xác. Hệ thống giao tiếp kết nối robot với các thiết bị ngoài, cho phép điều khiển từ xa và nhận dữ liệu cảm biến.

IV. Hệ Thống Tương Tác Người Robot Và Kết Quả Thực Nghiệm

Hệ thống tương tác người-robot sử dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) tiên tiến để xử lý nhận diện cảm xúc, xử lý ngôn ngữ tự nhiên, và phản hồi hội thoại thông minh. Robot có khả năng nhận biết giọng nói, chuyển đổi thành văn bản, phân loại cảm xúc từ văn bản và giọng nói, sau đó tìm kiếm thông tin trên internet hoặc từ dữ liệu đã huấn luyện. Mô hình Combined LSTM được sử dụng để phân loại cảm xúc, trong khi Transformer model giúp xử lý hội thoại. Kết quả cuối cùng được chuyển đổi từ văn bản thành giọng nói bằng công nghệ text-to-speech để robot có thể phản hồi một cách tự nhiên. Quá trình thực nghiệm bao gồm kiểm tra phạm vi hoạt động của các cơ cấu, khả năng nhận diện cảm xúc, và chất lượng tương tác.

4.1. Công Nghệ Xử Lý Ngôn Ngữ Tự Nhiên Và Nhận Diện Cảm Xúc

Text classification processing sử dụng mô hình Combined LSTM để nhận diện cảm xúc từ văn bản người dùng. Xử lý văn bản tìm kiếm cho phép robot tìm kiếm thông tin liên quan. Xử lý văn bản hội thoại giúp robot duy trì hội thoại tự nhiên và mạch lạc với người dùng. Text-to-speech cho phép robot nói lại phản hồi một cách tự nhiên.

4.2. Kết Quả Và Hiệu Quả Của Dự Án

Thực nghiệm phạm vi hoạt động cho thấy robot đạt độ chính xác cao trong di chuyển các bộ phận. Thực nghiệm nhận diện cảm xúc chứng minh robot có khả năng phân biệt cảm xúc con người với độ chính xác vượt 85%. Thực nghiệm tương tác được thực hiện với nhiều người dùng khác nhau, cho thấy robot có khả năng giao tiếp tự nhiên và phản hồi phù hợp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề 6 Mục đích nghiên cứu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết cấu của nghiên cứu Chương 2: Nền tảng giải phẫu học Giới thiệu Giải phẫu cổ Giải phẫu hàm Giải phẫu môi Giải phẫu mắt Chương 3: Thiết kế cơ khí Giới thiệu Thiết kế cơ cấu cổ robot Thiết kế cơ cấu hàm robot Thiết kế cơ cấu môi robot Thiết kế cơ cấu mắt robot Thiết kế các điểm điều khiển Mô hình đầu robot Chương 4: Da nhân tạo của robot Giới thiệu Nền tảng giải phẫu học da Lý thuyết da nhân tạo Quá trình chế tạo da nhân tạo Đánh giá da nhân tạo Chương 5: Hệ thống điện-điều khiển Giới thiệu Cấu trúc của hệ thống điện-điều khiển 7 Hệ thống các thiết bị Hệ thống giao tiếp Phương pháp điều khiển Hệ thống biểu cảm và khẩu hình miệng Chương 6: Hệ thống tương tác giữa người và robot Giới thiệu Cấu trúc của hệ thống tương tác giữa người và robot Xử lý phân loại văn bản Xử lý văn bản tìm kiếm Xử lý văn bản hội thoại Kết quả phản hồi Đánh giá hệ thống Chương 7: Thực nghiệm Chương 8: Kết luận 8 CHƯƠNG 2: NỀN TẢNG GIẢI PHẪU HỌC 2. Giới thiệu Khi nhắc đến cơ, hầu hết mọi người khi nghĩ đến cơ bắp. Chúng ta nghĩ đến các cơ có thể nhìn thấy ngay dưới da, đặc biệt là ở các chi. Tuy nhiên có đến 3 nhóm cơ với tên gọi và chức năng khác nhau.

Theo [1] cơ xương chiếm đa phần các cơ trong cơ thể, với chức năng chính là tạo chuyển động các khớp xương trong cơ thể. Nhưng có hai loại cơ khác trong cơ thể, với các chức năng khác nhau. Cơ tim, đảm nhiệm chức năng bơm máu qua hệ thống tuần hoàn. Cơ trơn liên quan đến các chuyển động không tự chủ khác nhau, chẳng hạn như dựng tóc khi lạnh hoặc sợ hãi.

Tại chương này sẽ trình bày về nền tảng giải phẫu học ở các nhóm cơ xương trên bộ phận đầu người. Từ điều đó làm tiền đề để đưa ra phương án thiết kế các bộ phận cơ khí và các chuyển động cho robot ở chương sau. Giải phẫu cổ Phần đầu người được gắn với đỉnh của cột sống, sự cân bằng đầu và các hoạt động của đầu thực hiện bởi các cơ cổ. Tất cả các cơ này đều góp phần tạo ra chuyển động quay của đầu.

Khi các cơ hai bên cổ hoạt động đồng thời, phần đầu sẽ cúi xuống hoặc ngửa lên. Có 4 bó cơ chính đảm nhiệm các chức năng của cổ là cơ đòn chủm, cơ gai, cơ gối đầu và cơ cổ dài.1: Các cơ trên cổ ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của phần đầu người a) Cổ thực hiện chuyển động nghiêng đầu, b) Cổ thực hiện chuyển động quay đầu c) Cổ thực hiện chuyển động ngửa ra sau, d) Cổ thực hiện chuyển động cúi xuống Các chuyển động cơ bản của đầu người do bộ phận cổ tạo ra được thể hiện trong hình 2. Những quá trình chuyển động của cổ người được các nhóm cơ nêu trên phối hợp thực hiện như sau: 9 Nghiêng đầu: Khi cơ đòn chủm bên trái, cơ gối đầu trái và cơ cổ dài bên trái co đồng thời thì sẽ khiến cho đầu nghiêng sang trái, tương tự như vậy đối với bên phải Xoay đầu: Khi sự co cơ diễn ra ở cơ đòn chủm bên trái, các nhóm cơ gối đầu phải, cơ cổ dài phải và cơ gai phải thì sẽ tạo ra chuyển động xoay đầu sang bên phải. Khi đầu xoay sang trái thì các bó cơ trên sẽ hoạt động ngược lại.

Cúi đầu và ngửa đầu: Khi cả 2 bó cơ đòn chủm co đồng thời và 3 nhóm cơ còn lại duỗi ở cả 2 bên trái phải thì sẽ tạo ra chuyển động cúi đầu, chuyển động ngửa đầu được tạo thành khi các bó cơ trên hoạt động ngược lại. [3] Với các nhóm cơ và chuyển động của cổ người đã được phân tích ở trên ta có thể xác định được số bậc tự do của cơ cấu cổ người là 3 bậc. Bậc tự do thứ nhất cho phép phần đầu thực hiện chuyển động cúi và ngửa. Bậc tự do thứ 2 cho phép cổ điều khiển chuyển động nghiêng trái và phải của phần đầu.

Cuối cùng, bậc tự do thứ 3 giúp đầu người linh hoạt trong chuyển động xoay trái và phải. Giải phẫu hàm a) b) c) d) e) f) Hình 2.2: Các nhóm cơ tạo ra chuyển động cho hàm a) cơ nhai, b) cơ thái dương, c) cơ chân bướm ngoài, d) cơ chân bướm trong, e) hàm chuyển động ra phía trước, f) hàm chuyển động về phía sau Các bó cơ tham gia vào hoạt động nhai cần phải có khả năng tạo ra lực đủ để cắn xuyên qua thức ăn và nghiền chúng trước khi nuốt xuống dạ dày. Có 4 nhóm cơ chính đảm nhiệm hoạt động nhai là cơ nhai (Masseter), cơ thái dương (Temporalis), cơ chân bướm ngoài (Lateral pterygoid), cơ chân bướm trong (Medial pterygoid) được thể hiện trên hình 2. Có thể chia chuyển động của hàm ra làm 3 chuyển động chính: Thứ nhất, nâng hàm dưới (đóng mở hàm): Cơ thái dương (Temporalis), cơ nhai (Masseter) và cơ chân bướm trong (Medial pterygoid).

10 Thứ hai, dịch chuyển hàm sang trái hoặc phải: Cơ chân bướm ngoài (Lateral pterygoid) và cơ chân bướm trong (Medial pterygoid). Thứ ba, dịch chuyển hàm dưới về phía trước hoặc sau: Phía trước: Cơ chân bướm ngoài (Lateral pterygoid) và cơ chân bướm trong (Medial pterygoid). Phía sau: Cơ thái dương (Temporalis). Dưới sự tác động tổng hợp của các bó cơ đã trình bày ở trên, phần hàm sẽ thực hiện được các chuyển động: Dịch trái phải: Khi cơ chân bướm trong bên trái và cơ chân bướm ngoài bên trái co đồng thời, các cơ chân bướm trong bên phải và cơ chân bướm ngoài bên phải duỗi đồng thời thì sẽ tạo ra chuyển động dịch hàm qua phải.

Khi các bó cơ trên hoạt động theo chiều ngược lại thì sẽ tạo ra chuyển động dịch hàm qua trái. Đóng mở hàm: Khi cơ chân bướm trong, cơ nhai và cơ thái dương ở cả hai bên cùng co thì sẽ kéo phần hàm dưới lên từ đó tạo ra chuyển động đóng hàm Dịch chuyển trước sau: Khi cả 2 bó cơ chân bướm trước và cơ chân bướm sau đồng thời co, chúng sẽ kéo theo cả phần hàm dưới và đẩy ra phía trước, từ đó tạo ra chuyển động dịch chuyển hàm ra phía trước. Khi các cơ khác ở trạng thái duỗi và 2 bó cơ thái dương co đồng thời thì phần hàm dưới sẽ bị kéo về phía sau và tạo ra chuyển động dịch chuyển hàm về phía sau. Từ các phân tích cho thấy hàm của người có ba bậc tự do chính để thực hiện các chuyển động di chuyển trái phải, trước sau và đóng mở hàm.

Trên thực tế, hàm của người có nhiều bậc tự do hơn nhưng không ảnh hưởng quá nhiều đến chuyển động của hàm. Do đó trong phần này chỉ tập trung phân tích các bậc tự do chính ảnh hưởng đến khẩu hình môi. Giải phẫu môi Sự di chuyển của môi trong khi nói chuyển hoặc nhai đều được tạo ra do sự co duỗi của 10 bó cơ chính: cơ nâng góc miệng (Levator anguli oris), cơ gò má bé (Zygomaticus minor), cơ gò má lớn (Zygomaticus major), cơ cười (Risorius), cơ hạ góc miệng (Depressor anguli oris), cơ hạ môi dưới (Depressor labii inferioris), cơ cằm (Mentalis), cơ mút (Buccinator) và cơ vòng miệng (Orbicularis oris).3: Cơ nâng môi trên cánh mũi, cơ nâng môi trên, cơ nâng góc miệng, cơ gò má bé và cơ gò má lớn Cơ nâng môi trên cánh mũi (Levator nasolabialis) là một bó cơ nằm đối xứng nhau qua phần mũi (hình 2. Chức năng chính của cơ nâng môi trên cánh mũi là nâng phần cơ vòng miệng lên, kéo theo phần môi và tạo biểu cảm giận dữ.

Cơ nâng góc miệng (Levator anguli oris) cũng bao gồm hai bó cơ nằm hai bên trái và phải của miệng. Chức năng chính của cơ nâng góc miệng là kéo phần khóe miệng lên trên theo hướng xiên, từ đó tạo ra biểu cảm mỉm cười. Tương tự như hai bó cơ trên, cơ gò má bé (Zygomaticus minor) cũng bao gồm hai bó cơ nằm ở hai bên trái và phải. Cơ gò má bé có chức năng giống với cơ nâng góc miệng, chủ yếu tạo ra biểu cảm mỉm cười.

Cơ gò má lớn (Zygomaticus major) cũng bao gồm hai bó cơ nằm ở hai bên trái và phải. Cơ gò má bé có nhiệm vụ kéo phần góc miệng lên trên và theo chiều ngang một phần nhỏ, nhờ đó tạo ra biểu cảm cười lớn.4: Cơ cười, cơ hạ góc miệng và cơ hạ môi dưới Cơ cười (Risorius), giống như các bó cơ bên trên, cơ cười cũng có hai bó cơ nằm hai bên trái và phải. Chức năng chính của cơ cười là kéo góc miệng sang hai bên, tạo chuyển động cười nhe răng (hình 2. Cơ hạ góc miệng (Depressor anguli oris) nằm đối xứng qua phần cằm dưới bao gồm hai bó cơ trái và phải.

Chức năng chính của cơ hạ góc miệng là kéo phần góc miệng xuống dưới và một chút sang hai bên, từ đó tạo ra biểu cảm buồn. Tương tự như cơ hạ góc miệng, cơ hạ môi dưới (Depressor labii inferioris) cũng có hai bó cơ nằm đối xứng nhau qua hai bên cằm. Chức năng chính mà cơ hạ môi dưới đảm nhận là tham gia vào quá trình nhai và tạo biểu cảm buồn cho khuôn mặt.5) là một bó cơ nhỏ có hai phần trái và phải. Chức năng chính của cơ cằm là nâng phần môi dưới lên trên và đẩy phần môi ra ngoài, hành động này của cơ thương diễn ra khi con người uống nước và biểu hiện một vài cảm xúc trên khuôn mặt như khinh bỉ và buồn bã.

Cơ vòng miệng (Orbicularis oris) bao gồm một phần là bề mặt ngoài và một phần nằm sâu bên dưới. Về cơ bản, bó cơ này có chức năng kéo và đẩy môi về phía trước, tạo ra chuyển động chu môi.5: Cơ cằm và cơ vòng miệng 2. Giải phẫu mắt Sự di chuyển của nhãn cầu trong hốc mắt được quyết định bởi sự co dãn của 6 nhóm cơ ổ mắt với nguyên ủy tại phần xương hốc mắt và bám tận tại bề mặt của cầu mắt. Mỗi một nhóm cơ đều có tên liên quan trực tiếp đến vị trí cũng như chức năng của chúng.

Sáu nhóm cơ trên bao gồm: cơ trực trên (Superior rectus), cơ trực dưới (Inferior rectus), cơ trực trong (Medial rectus), cơ trực ngoài (Lateral rectus), cơ chéo trên (Superior oblique) và cơ chéo dưới (Inferior oblique). Ngoài ra còn có một bó cơ khác cũng có tham gia vào các chuyển động của mắt là cơ nâng mí trên (Levator palpebrae superioris) (hình 2.