Đặt vấn đề Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và nhu cầu ngày càng cao của con người, việc thiết kế ra những sản phẩm tiện ích là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu đa dạng. Ngành công nghiệp robot ngày càng có vị thế quan trọng trong xã hội, với các ứng dụng từ sản xuất, lắp ráp trong công nghiệp đến phục vụ trong lĩnh vực dịch vụ, mang lại lợi ích vượt trội như độ chính xác cao và năng suất lớn trong thời gian dài. Đặc biệt, robot tự hành có thể thay thế con người thực hiện các công việc nặng nhọc thường ngày trong nhà xưởng, y tế, nhà hàng, dịch vụ, làm việc trong môi trường hóa chất, nhiệt độ cao, áp suất cao, khu vực hạn chế tầm nhìn, phóng xạ,. Trong lĩnh vực dịch vụ, robot cần phải nhỏ gọn, di chuyển linh hoạt và có thiết kế thân thiện và có khả năng tương tác với khách hàng.
Do đó, việc phát triển một mobile robot có khả năng di chuyển theo câu lệnh giọng nói của người dùng là một vấn đề cấp thiết. Vì vậy, nhóm đã quyết định nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot phục vụ trong nhà hàng và hỗ trợ tương tác với khách hàng bằng giọng nói. Nhóm chúng tôi hướng đến mục tiêu thiết kế Mobile Robot có khả năng tự động vận chuyển thức ăn từ khu bếp hoặc quầy thức ăn của nhà hàng đến bàn ăn của khách hàng. Robot này sẽ giúp khâu vận chuyển thức ăn trở nên nhanh gọn và an toàn, đồng thời giải quyết vấn đề thiếu hụt nhân lực.
Bên cạnh đó, robot còn mang lại trải nghiệm thú vị cho khách hàng khi có hỗ trợ tương tác bằng giọng nói. Robot được trang bị cảm biến Lidar kết hợp với ROS giúp định vị chính xác để điều khiển Robot đến các vị trí mong muốn. Thiết kế này hứa hẹn mang lại hiệu quả cao, nâng cao chất lượng dịch vụ và tối ưu hóa quy trình phục vụ trong nhà hàng.2 Tính cấp thiết của đề tài Trong điều kiện kinh tế xã hội và khoa học kỹ thuật phát triển mạnh như ngày nay, những ứng dụng của công nghệ vào cuộc sống ngày càng phải thông minh hơn và khả năng tự động cao hơn. Mobile Robot được chế tạo dùng để thay thế cho con người làm việc như các cánh tay máy vận chuyển hàng hóa trong các hệ thống công nghiệp.
Mobile Robot có thể di chuyển trong các môi trường độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe của con người như: môi trường hóa chất, nhiệt độ cao, áp suất cao, phóng xạ, .để thực hiện nhiệm vụ thay thế con người. Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot phục vụ trong nhà hàng và hỗ trợ tương tác với khách hàng bằng giọng nói là một vấn đề cần thiết không chỉ giúp giảm tải công việc của nhân viên mà còn mang lại một trải nghiệm độc đáo và thú vị cho khách hàng. Chúng có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ như chào đón khách, hướng dẫn chọn món, phục vụ và tư vấn hỗ trợ cho khách hàng.3 Mục tiêu hoàn thành Nhóm đặt ra mục tiêu: - Hoàn thiện việc thiết kế, chế tạo khung cơ khí cho Mobile Robot với kích thước: + Kích thước mỗi khay để thức ăn: 300x240 (mm). + Tổng chiều cao Robot: 1000 (mm).
+ Khoảng cách giữa các khay để thức ăn: 250 (mm). - Sử dụng vi điều khiển STM32F103 và máy tính nhúng Raspberry Pi điều khiển và giám sát Mobile Robot. - Xây dựng và hoàn thiện bộ điều khiển PID cho động cơ Mobile Robot. - Sử dụng mô hình nhận dạng giọng nói để tương tác với khách hàng thông qua màn hình HMI.
- Xây dựng bản đồ và thuật toán di chuyển cho Mobile Robot sử dụng cảm biến Lidar kết hợp với ROS. - Thiết kế giao diện để điều khiển Mobile Robot thông qua giao thức MQTT. - Năng suất vận hành 1 lần vận chuyển được 5 kg. - Tốc độ di chuyển: 0.4 Giới hạn đề tài Trong đồ án này, với mục tiêu nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Mobile Robot phục vụ trong nhà hàng với diện tích nhỏ đến vừa (từ 40 m2 đến 80 m2), ít vật cản động và hỗ trợ tương tác với khách hàng bằng giọng nói.
Nhóm tập trung đến những mục tiêu như sau: - Sử dụng mô hình nhận diện giọng nói để hỗ trợ đặt món ăn. - Thiết kế vỏ khung Mobile Robot đảm bảo độ bền và tính thẩm mỹ. - Tạo giao diện tương tác với khách hàng qua HMI và giao diện tương tác với người quản lý.5 Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành đề tài này, nhóm đã áp dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết bao gồm việc tham khảo các tài liệu liên quan đến cơ khí, điện - điện tử, điều khiển động cơ, các nghiên cứu trong và ngoài nước, các đề tài đã chế tạo mobile robot trước đây, các mô hình về nhận dạng giọng nói.
Thực nghiệm bao gồm việc thiết kế, lắp ráp mô hình robot tự hành, kiểm tra và đánh giá hiệu quả hoạt động của robot so với mục tiêu ban đầu. Ngoài ra, nhóm cũng kết hợp các kiến thức chuyên ngành cơ 2 điện tử, kiến thức đa ngành, sử dụng các phần mềm máy tính để tính toán, thiết kế, mô phỏng, xây dựng mô hình thực nghiệm, nhằm đáp ứng các yêu cầu của việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot phục vụ trong nhà hàng và hỗ trợ tương tác với khách hàng bằng giọng nói. Nhóm đã sử dụng phần mềm hỗ trợ thiết kế cơ khí 3D Inventor vào việc thiết kế tính toán và chế tạo mô hình. Ngoài ra, nhóm còn sử dụng phần mềm Keil C để lập trình vi điều khiển STM32F103 điều khiển động cơ cho Mobile Robot, sử dụng Gazebo để mô phỏng Mobile Robot, sử dụng cảm biến Lidar kết hợp với ROS để tạo bản đồ và định hướng di chuyển Robot, vận dụng giao thức truyền thông MQTT truyền tín hiệu đến máy tính nhúng để xử lý tín hiệu và truyền đến vi điều khiển bằng giao thức UART.
3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu Mobile Robot phục vụ nhà hàng Thuật ngữ "robot" lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm "Rossum's Universal Robot" của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để phục vụ con người [1]. Robot di động (Mobile Robot) có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác một cách tự động, nghĩa là không cần sự trợ giúp từ người vận hành bên ngoài.
Không giống như phần lớn Robot công nghiệp chỉ có thể di chuyển trong một không gian làm việc được xác định trước để đạt được mục tiêu mong muốn. Khả năng di động này làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng trong nhiều môi trường [2]. Vậy Robot phục vụ nhà hàng là gì? Robot phục vụ nhà hàng, hay còn gọi là Robot dịch vụ, là loại robot được thiết kế để hỗ trợ và tăng cường khả năng phục vụ trong các nhà hàng. Chúng có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, từ việc chào đón khách, hướng dẫn họ đến bàn, trình bày thực đơn, nhận đơn đặt hàng, và phục vụ thức ăn và đồ uống [3].1: Robot do Keenon và SoftBank chế tạo phục vụ khách trong một sự kiện ra mắt ở Singapore (nguồn: thesaigontimes) 4 2.2 Lịch sử phát triển của Robot Giai đoạn đầu tiên của sự phát triển robot di động bắt đầu từ năm 1939 đến 1945, khi Thế chiến II chứng kiến sự xuất hiện của các robot di động dưới dạng bom bay có hệ thống dẫn đường và radar điều khiển (Hình 2.
Gray Walter đã tạo ra hai robot đơn giản là Elmer Elsie, Đây là những robot đầu tiên được lập trình để "suy nghĩ" theo cách mà bộ não sinh học hoạt động, với khả năng thể hiện ý chí tự do. Do hình dáng và cách di chuyển của chúng, Elmer Elsie (Hình 2.3) thường được gọi là robot rùa. Chúng có khả năng phototaxis, tức là di chuyển để phản ứng với kích thích ánh sáng.2: Bom bay V1 (nguồn: nghiencuuquocte) Hình 2.3: Elmer_Elsie Robot (nguồn: theoldrobots) Giai đoạn phát triển tiếp theo từ những năm 1960 đến 2000 đánh dấu nhiều cột mốc quan trọng. Từ năm 1961 đến 1963, robot Hopkins Beast (Hình 2.4) ra đời với khả năng tự tìm ổ cắm điện khi hết pin.
Năm 1969 chứng kiến sự ra mắt của Mowbot, robot cắt cỏ tự động đầu tiên, và Stanford Cart (Hình 2.5), robot di động sử dụng camera và máy tính để di chuyển theo đường kẻ trắng. Năm 1970, Shakey trở thành robot đầu tiên có khả năng lập luận và thực hiện các mệnh lệnh phức tạp. Năm 1976, NASA phóng tàu Viking lên sao Hỏa, tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của robot khám phá không gian. Phim "Chiến tranh giữa các vì sao" năm 1977 với sự xuất hiện của R2D2 và C3P0 làm tăng sự phổ biến của robot trong văn hóa đại chúng.4: Robot Hopkins Beast (nguồn: cyberneticzoo) Hình 2.5: Standford Cart (nguồn: cyberneticzoo) Trong thập niên 1980, sự ra đời của các robot gia đình như RB5X và HERO đã mang lại những ứng dụng thực tiễn đáng kể trong đời sống hàng ngày.
Năm 1982, Stanford Cart được cải tiến để có thể tự lái và lập bản đồ. Đến năm 1989, Mark Tilden giới thiệu công nghệ BEAM robotics, đánh dấu bước tiến quan trọng trong lĩnh vực robot học. Trong những năm 1990, Joseph Engelberger phát triển robot tự động cho ngành y tế, và các robot như Dante I và Dante II được thiết kế để thám hiểm núi lửa. Năm 1995, robot Pioneer có khả năng lập trình được thương mại hóa, thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng robot.
Năm 1997, NASA phóng tàu Mars Pathfinder mang theo robot Sojourner (Hình 2.6) lên sao Hỏa, mở ra kỷ nguyên mới trong việc khám phá hành tinh khác. Đến năm 1999, Sony giới thiệu robot Aibo có khả năng di chuyển, quan sát và tương tác, đồng thời PackBot, robot quân sự điều khiển từ xa, cũng được ra mắt.6: Robot Sojuourner khám phá thăm dò trên sao Hỏa (nguồn: researchgate) Giai đoạn hiện đại bắt đầu từ năm 2001, khi dự án Swain-Bots khởi động với bầy côn trùng robot. Năm 2002, Roomba, robot hút bụi gia đình, ra đời và trở nên phổ biến. Năm 2004, Robosapien, một robot đồ chơi, được bán ra thị trường và dự án Centibots Project sử dụng 100 robot để lập bản đồ và tìm kiếm vật thể.
Cùng năm đó, DARPA Grand Challenge, cuộc thi robot tự động đầu tiên, được tổ chức. Năm 2005, TALON-Sword, một robot tự động vũ trang, ra đời và Asimo (Hình 2.7) của Honda thể hiện khả năng chạy và leo cầu thang.