Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ robot và trí tuệ nhân tạo (AI), việc thiết kế và chế tạo robot hình người với khả năng tương tác tự nhiên ngày càng được quan tâm. Theo ước tính, các robot hình người hiện đại không chỉ phục vụ trong công nghiệp mà còn được ứng dụng trong y tế, giáo dục và dịch vụ. Tuy nhiên, phần lớn các robot hiện nay chỉ tập trung vào một trong hai yếu tố: hình thức biểu cảm hoặc trí tuệ nhân tạo, chưa có nhiều sản phẩm kết hợp hài hòa cả hai. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo đầu robot dạng người dựa trên nền tảng giải phẫu học, đồng thời tích hợp trí tuệ nhân tạo để robot có khả năng giao tiếp và biểu hiện cảm xúc chân thực. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế các cơ cấu cơ khí mô phỏng chuyển động cổ, hàm, môi và mắt, sử dụng da nhân tạo silicone để tăng tính chân thực, cùng với hệ thống điều khiển điện tử và AI để tương tác. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đầu robot tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2021. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc tạo ra mẫu robot đầu người có khả năng tương tác tự nhiên, góp phần thúc đẩy công nghệ robot tại Việt Nam, đồng thời mở ra ứng dụng trong y tế, giáo dục và dịch vụ, đặc biệt trong bối cảnh dịch bệnh truyền nhiễm hiện nay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: giải phẫu học và trí tuệ nhân tạo.

  • Giải phẫu học đầu người: Nghiên cứu chi tiết các nhóm cơ và chuyển động của cổ, hàm, môi và mắt. Cổ người có 3 bậc tự do (cúi/ngửa, nghiêng trái/phải, xoay trái/phải), hàm có 3 bậc tự do chính (đóng/mở, dịch chuyển trái/phải, dịch chuyển trước/sau), môi và mắt có các cơ cấu phức tạp tạo biểu cảm đa dạng. Các chuyển động này được mô phỏng bằng các cơ cấu cơ khí với số bậc tự do tương ứng.

  • Trí tuệ nhân tạo (AI): Áp dụng các mô hình học sâu như LSTM, BiLSTM và Transformer để xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận diện cảm xúc và phân loại văn bản trong hệ thống tương tác người-robot. AI giúp robot hiểu và phản hồi tự nhiên qua giao tiếp bằng giọng nói và biểu cảm khuôn mặt.

Các khái niệm chuyên ngành bao gồm: Degree of Freedom (DOF), Pulse Width Modulation (PWM), Facial Action Coding System (FACS), Recurrent Neural Network (RNN), và các thuật ngữ về cơ khí như moment xoắn, ứng suất nén.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết, thiết kế kỹ thuật và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu giải phẫu học được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, số liệu kỹ thuật từ các nghiên cứu trước, và dữ liệu thực nghiệm từ các thử nghiệm trên mẫu robot.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế cơ khí dựa trên mô hình động học và động lực học, tính toán lực, moment và vận tốc để lựa chọn động cơ phù hợp. Phân tích chuyển động cơ cấu cổ, hàm, môi và mắt dựa trên bài toán động học thuận và nghịch. Hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển Atmega328p, giao tiếp I2C, và điều xung PWM để điều khiển động cơ servo.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, bao gồm các giai đoạn: khảo sát và phân tích giải phẫu (3 tháng), thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển (4 tháng), chế tạo và lắp ráp (3 tháng), thử nghiệm và đánh giá (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế cơ cấu cổ robot: Cơ cấu cổ được thiết kế với 3 bậc tự do tương ứng với chuyển động cúi/ngửa, nghiêng trái/phải và xoay trái/phải. Động cơ servo LD-27MG được lựa chọn với moment xoắn 20 kg.cm, vận tốc tối đa 215°/s, đáp ứng vận tốc xoay đầu người trung bình 43°/s (cúi/ngửa) và 47°/s (xoay trái/phải). Hệ thống bánh răng truyền động với tỷ số truyền 2 đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác.

  2. Cơ cấu hàm robot: Cơ cấu hàm 2 bậc tự do được thiết kế để mô phỏng đóng/mở và dịch chuyển trước/sau của hàm người, giúp tạo ra các biểu cảm như khinh bỉ hoặc trề môi. Động cơ servo với moment xoắn tối thiểu 12 kg.cm và vận tốc 31°/s được sử dụng. Góc mở hàm tối đa đạt 52°, vượt mức giới hạn 36° của người thật, đảm bảo linh hoạt trong biểu cảm.

  3. Cơ cấu môi robot: Cơ cấu môi cải tiến với 7 động cơ servo ES08MA, mỗi động cơ có moment xoắn 2.5 kg.cm và vận tốc 60°/s, cho phép môi di chuyển lên xuống 20 mm và mép môi dịch chuyển trước/sau 18 mm, vượt nhẹ so với giới hạn thực tế của người (17 mm và 11 mm). Điều này giúp robot thể hiện đa dạng biểu cảm tự nhiên.

  4. Cơ cấu mắt robot: Cơ cấu mắt đồng nhất với 2 động cơ điều khiển chuyển động nhìn trái/phải và lên/xuống, giới hạn góc chuyển động 70° phù hợp với chuyển động mắt người. Cơ cấu mi mắt đồng nhất với góc đóng mở 65°, mô phỏng chính xác chuyển động mở/đóng mi mắt.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thiết kế cơ khí cho thấy sự phù hợp cao với chuyển động giải phẫu của đầu người, đảm bảo số bậc tự do và phạm vi chuyển động tương đương. Việc lựa chọn động cơ servo có moment xoắn và vận tốc phù hợp giúp robot hoạt động mượt mà, đáp ứng yêu cầu biểu cảm đa dạng. So sánh với các robot nổi tiếng như KISMET hay Sophia, robot nghiên cứu có ưu thế về sự kết hợp đồng bộ giữa biểu cảm chân thực và trí tuệ nhân tạo, tạo ra sự thân thiện và tự nhiên trong tương tác. Việc sử dụng da nhân tạo silicone giúp tăng tính chân thực về mặt hình thức, đồng thời hệ thống AI xử lý ngôn ngữ và cảm xúc nâng cao khả năng giao tiếp. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy robot đạt mức độ hài lòng trên 85% về tính chân thực và khả năng tương tác, thể hiện qua các biểu đồ đánh giá mức độ biểu cảm và phản hồi người dùng. Kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường phát triển AI tương tác: Nâng cấp mô hình AI với các thuật toán học sâu mới như Transformer mở rộng để cải thiện khả năng nhận diện cảm xúc và phản hồi ngôn ngữ tự nhiên, nhằm nâng tỷ lệ phản hồi chính xác lên trên 90% trong vòng 12 tháng, do nhóm nghiên cứu AI thực hiện.

  2. Cải tiến vật liệu da nhân tạo: Nghiên cứu và ứng dụng các loại silicone có tính đàn hồi và độ bền cao hơn, đồng thời tích hợp cảm biến áp lực để tăng khả năng cảm nhận xúc giác, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm vật liệu.

  3. Mở rộng phạm vi chuyển động cơ khí: Thiết kế thêm các cơ cấu mô phỏng chuyển động nhỏ như nhăn trán, co cơ mặt để tăng tính biểu cảm, nâng số bậc tự do lên ít nhất 10, thực hiện trong 24 tháng, do nhóm cơ khí đảm nhiệm.

  4. Ứng dụng robot trong y tế và giáo dục: Triển khai thử nghiệm robot trong môi trường bệnh viện và trường học để đánh giá hiệu quả hỗ trợ thăm khám, giảng dạy, với mục tiêu giảm 20% thời gian làm việc của nhân viên trong 1 năm, phối hợp với các đơn vị y tế và giáo dục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy: Học hỏi phương pháp thiết kế cơ cấu cơ khí mô phỏng chuyển động sinh học, áp dụng trong các dự án robot và tự động hóa.

  2. Chuyên gia và kỹ sư phát triển robot và AI: Tham khảo cách tích hợp trí tuệ nhân tạo với hệ thống cơ khí để tạo ra robot tương tác tự nhiên, nâng cao hiệu quả giao tiếp và biểu cảm.

  3. Doanh nghiệp công nghệ và sản xuất robot: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm robot dịch vụ, robot y tế với tính năng tương tác và biểu cảm nâng cao, tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ sở giáo dục và đào tạo kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu thực hành cho sinh viên ngành cơ điện tử, kỹ thuật cơ khí và trí tuệ nhân tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot đầu người này có thể giao tiếp bằng ngôn ngữ nào?
    Robot có khả năng giao tiếp bằng tiếng Việt và tiếng Anh, sử dụng mô hình AI xử lý ngôn ngữ tự nhiên để nhận diện và phản hồi câu hỏi, ví dụ như dự báo thời tiết, đọc tin tức.

  2. Da nhân tạo của robot có giống da người thật không?
    Da nhân tạo được làm từ cao su silicone với tính chất đàn hồi và màu sắc tương đồng da người, giúp biểu cảm khuôn mặt chân thực hơn so với các robot truyền thống.

  3. Robot có thể biểu hiện bao nhiêu loại cảm xúc?
    Robot có thể mô phỏng các biểu cảm cơ bản như hạnh phúc, buồn bã, tức giận, ngạc nhiên, và các biểu cảm phức tạp hơn nhờ cơ cấu môi, mắt và hàm linh hoạt.

  4. Phương pháp điều khiển động cơ của robot là gì?
    Sử dụng phương pháp điều xung PWM kết hợp với vi điều khiển Atmega328p để điều khiển chính xác các động cơ servo, đảm bảo chuyển động mượt mà và đồng bộ.

  5. Robot có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào ngoài nghiên cứu?
    Robot có thể được ứng dụng trong y tế hỗ trợ thăm khám, trong giáo dục làm trợ giảng, và trong dịch vụ khách sạn, du lịch để tương tác với khách hàng, góp phần nâng cao trải nghiệm người dùng.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công đầu robot hình người với 3 bậc tự do cổ, 2 bậc tự do hàm, cơ cấu môi và mắt linh hoạt, mô phỏng chuyển động giải phẫu học chính xác.
  • Tích hợp da nhân tạo silicone và hệ thống AI giúp robot biểu hiện cảm xúc và giao tiếp tự nhiên, thân thiện với người dùng.
  • Kết quả thử nghiệm cho thấy robot đạt mức độ chân thực và tương tác cao, có tiềm năng ứng dụng trong y tế, giáo dục và dịch vụ.
  • Nghiên cứu góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ robot tại Việt Nam, đồng thời mở rộng hướng nghiên cứu kết hợp cơ khí và trí tuệ nhân tạo.
  • Các bước tiếp theo bao gồm nâng cấp AI, cải tiến vật liệu da, mở rộng chuyển động cơ khí và triển khai ứng dụng thực tế, mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp cùng hợp tác phát triển.

Hãy liên hệ để cùng phát triển công nghệ robot hình người tiên tiến, góp phần tạo ra tương lai giao tiếp giữa con người và máy móc ngày càng tự nhiên và hiệu quả hơn.