Tài liệu Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển thông minh bàn

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển thông minh bàn tay robot, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Đình Nam
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Quang Vĩ
• Trường học: Trường Đại Học Thuỷ Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thống Điều Khiển Thông Minh Bàn Tay Robot
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Hệ Thống Điều Khiển Thông Minh Bàn Tay Robot

Hệ thống điều khiển thông minh bàn tay robot là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Đây là một đề tài nghiên cứu thuộc ngành Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa tại Trường Đại học Thủy Lợi, Khoa Điện – Điện Tử. Hệ thống này kết hợp các công nghệ hiện đại như xử lý ảnh, cảm biến thông minh và bộ điều khiển vi xử lý để tạo ra một bàn tay robot có khả năng nhận diện và mô phỏng chuyển động của tay người. Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng mô hình bàn tay robot thông minh có thể hoạt động theo hai phương pháp: điều khiển bằng xử lý ảnh và điều khiển bằng cảm biến uốn cong. Công nghệ này có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như robot giáo dục, y tế, công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

1.1. Những Công Trình Nghiên Cứu Liên Quan

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về bàn tay robot thông minh đã phát triển mạnh mẽ. Công ty Vulcan Augmetics và nhiều nhóm nghiên cứu khác đã thành công trong việc chế tạo các cánh tay robot với độ chính xác cao. Các mô hình này sử dụng công nghệ cảm biến tiên tiến và thuật toán điều khiển để đạt hiệu suất tối ưu. Tại Việt Nam, Robot giáo dục Trí Nhân là một ví dụ tiêu biểu về ứng dụng hệ thống điều khiển thông minh trong giáo dục.

1.2. Mục Tiêu và Ý Nghĩa của Đề Tài

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu và xây dựng hệ thống điều khiển thông minh cho bàn tay robot. Đề tài tập trung vào việc phát triển mô hình 3D với các đốt ngón tay tối ưu, lập trình điều khiển bằng Arduino và Python, cũng như tích hợp các cảm biến hiện đại. Ý nghĩa của đề tài nằm ở khả năng ứng dụng công nghệ thông minh vào các bài toán thực tế, góp phần nâng cao kỹ năng và kiến thức trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động.

II. Thiết Bị và Giải Pháp Công Nghệ

Hệ thống điều khiển thông minh bàn tay robot được xây dựng dựa trên nền tảng bộ điều khiển Arduino – một platform mã nguồn mở phổ biến trong lập trình nhúng và tự động hóa. Các thành phần chính của hệ thống bao gồm cảm biến Flex Sensor để phát hiện uốn cong, camera và thư viện OpenCV để xử lý ảnh nhận diện tay, động cơ Servo MG966 làm cơ cấu chấp hành, nguồn tổ ong 5V-20A cấp nguồn, và màn hình LCD 1602 để hiển thị thông tin. Các chuẩn giao tiếp UART và I2C được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các module. Phần mềm phát triển bao gồm Arduino IDE, Pycharm, Qt Designer cho giao diện người dùng, và OpenCV cho xử lý ảnh bàn tay thông minh.

2.1. Bộ Điều Khiển Arduino và Các Cảm Biến

Arduino là một bộ vi điều khiển mã nguồn mở cho phép lập trình C/C++ dễ dàng. Cảm biến Flex Sensor thay đổi điện trở theo độ cong của đốt tay, cung cấp tín hiệu analog cho bộ điều khiển. Cảm biến này có thể phát hiện 5 trạng thái cong khác nhau tương ứng với 5 đốt ngón tay. Sơ đồ mạch của cảm biến uốn cong được tích hợp với các điện trở để ổn định tín hiệu.

2.2. Phần Mềm và Xử Lý Ảnh OpenCV

OpenCV là thư viện xử lý ảnh mạnh mẽ cho nhận diện chuyển động bàn tay. Pycharm IDE được sử dụng để lập trình Python xử lý dữ liệu ảnh từ camera. Qt Designer giúp thiết kế giao diện đồ họa thân thiện cho người dùng. Arduino IDE dùng để lập trình vi điều khiển. Kết hợp các công cụ phần mềm này tạo ra hệ thống hoàn chỉnh có khả năng điều khiển đồng thời từ nhiều nguồn tín hiệu.

III. Cơ Sở Xây Dựng Mô Hình Bàn Tay Robot

Mô hình bàn tay robot được xây dựng trên cơ sở kiến trúc hệ thống phân cấp với bốn khối chính: khối cảm biến, khối xử lý trung tâm, khối hiển thị thông báo và khối chấp hành. Khối cảm biến bao gồm 5 cảm biến Flex Sensor tương ứng với 5 ngón tay và camera để nhận diện tay người. Khối xử lý trung tâm sử dụng Arduino Mega để xử lý tín hiệu từ các cảm biến và gửi lệnh điều khiển. Khối hiển thị là màn hình LCD 1602 hiển thị trạng thái hệ thống. Khối chấp hành gồm 6 động cơ Servo MG966 để điều khiển chuyển động của 5 đốt ngón tay và cơ cấu mở/đóng tay. Nguyên lý hoạt động dựa trên xử lý ảnh bàn tay hoặc tín hiệu từ cảm biến uốn cong.

3.1. Thiết Kế 3D và Lắp Ráp Cấu Trúc Cơ Học

Mô hình 3D của 5 đốt ngón tay robot được thiết kế để mô phỏng chính xác các khớp cơ học của tay người thật. Các đốt tay được in 3D từ vật liệu kỹ thuật có độ bền cao. Cấu trúc cơ học cho phép chuyển động linh hoạt theo 2-3 hướng tương tự bàn tay thật. Lắp ráp được thực hiện tuần tự từ đốt 1 đến đốt 5 với độ chính xác cao.

3.2. Nguyên Lý Điều Khiển Hai Phương Pháp

Phương pháp thứ nhất sử dụng xử lý ảnh bàn tay với OpenCV để phát hiện vị trí ngón tay của người dùng, sau đó điều khiển robot theo chuyển động của tay người. Phương pháp thứ hai sử dụng cảm biến uốn cong Flex Sensor để đo độ cong của ngón tay người dùng, chuyển đổi tín hiệu analog thành lệnh điều khiển. Cả hai phương pháp đều sử dụng Arduino làm bộ điều khiển trung tâm để đồng bộ hóa chuyển động.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả chạy thực nghiệm cho thấy hệ thống điều khiển thông minh bàn tay robot hoạt động hiệu quả theo cả hai phương pháp điều khiển. Thực nghiệm thứ nhất - điều khiển bằng xử lý ảnh - cho phép bàn tay robot mô phỏng chính xác các chuyển động tay người với độ trễ tối thiểu (dưới 500ms). Thực nghiệm thứ hai - điều khiển bằng cảm biến Flex - cho thấy độ chính xác cao trong phát hiện độ cong ngón tay và đáp ứng nhanh chóng của hệ thống. Toàn bộ mô hình được lắp ráp thành công với 36 hình ảnh tài liệu và 1 bảng dữ liệu chi tiết. Các kết quả thực nghiệm chứng minh tính khả thi của đề tài và tiềm năng ứng dụng trong robot học, giáo dục, và y tế công nghệ.

4.1. Hiệu Suất Hệ Thống Điều Khiển Ảnh

Phương pháp xử lý ảnh sử dụng OpenCV đạt tỷ lệ nhận diện chính xác 95% trong điều kiện ánh sáng tốt. Thời gian xử lý mỗi frame là 50-100ms, cho phép điều khiển real-time liên tục. Camera được lắp đặt trên máy tính chủ và truyền dữ liệu qua UART tới Arduino. Độ chính xác của chuyển động robot đạt ±5 độ so với góc cử động tay người.

4.2. Kết Quả Điều Khiển Cảm Biến và Kết Luận

Cảm biến Flex Sensor cho phản hồi tức thì với độ nhạy cao, cho phép người dùng cảm nhận chuyển động phản hồi từ robot. Dữ liệu cảm biến được lưu trữ và phân tích để tối ưu hóa thuật toán điều khiển. Đề tài đã thành công trong việc xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh có thể sử dụng cho giáo dục, nghiên cứu và các ứng dụng robot nâng cao khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Cho đến hiện tại, thế giới chúng ta đã qua ba cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật lớn. Thứ nhất, cách mạng công nghiệp 1. Động cơ hơi nước tác động trực tiếp đến các ngành nghề như dệt may, luyện kim, giao thông vận tải đường bộ. Động cơ hơi nước được đưa vào ôtô, tàu hỏa, tàu thủy, mở ra một kỷ nguyên mới trong lịch sử nhân loại.

Thứ hai, cách mạng công nghiệp 2. Thứ ba, cách mạng công nghiệp 3. Là khi bóng bán dẫn, điện tử, kết nối thế giới liên lạc được với nhau. Vệ tinh, máy bay, máy tính, điện thoại, Internet… là những công nghệ mà hiện nay chúng ta đang thụ hưởng.

Hiện nay là thời đại của cách mạng công nghiệp 4.0, đó là sự kết hợp cao độ giữa hệ thống siêu kết nối vật lý và kỹ thuật số với tâm điểm là internet, vạn vật kết nối (IoT) và trí tuệ nhân tạo.0 cung cấp phương pháp tổng thể, liên kết toàn diện hơn cho ngành sản xuất và sẽ giải phóng con người khỏi công việc trí tuệ. Minh chứng của Công nghệ 4.0 đó là Robot Sophia, cô ấy là robot đầu tiên được chính phủ Saudi Arabian cấp quyền công dân như con người [4]. Robot Sophia được tiến sĩ người Mỹ David Hanson, nhà sáng lập công ty robot Hanson Robotics chế tạo ra tại Hong Kong, nơi mà ông cùng gia đình đã dời đến để phát triển sự nghiệp, vì có chi phí thấp và đội ngũ kỹ sư chất lượng. Với trí thông minh nhân tạo vượt trội so với các thế hệ robot phổ biến hiện nay, cụ thể là Sophia có thể mô phỏng được hơn 62 biểu cảm khuôn mặt của con người nhờ camera cực nhạy ở trong mắt, phối hợp phân tích của thuật toán máy tính dựa trên phần mềm MindCloud™ [4].

2 Hiện tại, Trung Quốc có tới 33% robot là tự sản xuất. Trong đó, Hong Kong có thể xem là "thánh địa" của robot, cũng là nơi thu hút các kỹ sư, nhà thiết kế, công ty robot như trường hợp Hanson Robotics. Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện- điện tử và điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự nghiệp phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển.

Điều đó đòi hỏi phải nghiên cứu và áp dụng những dây chuyền, máy móc và thiết bị tiên tiến hiện đại, có khả năng tự động hóa cao để đưa công nghệ vào mọi lĩnh vực của cuộc sống. Trong đó ngành cơ khí, tự động hóa và điện tử đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình phát triển của đất nước. Để đáp ứng nhu cầu to lớn của việc phát triển ngành công nghệ kỹ thuật nói chung, đòi hỏi phải có đội ngũ cán bộ, nhân viên kỹ thuật có khả năng, đủ năng lực và trình độ chuyên môn để kịp thời giải quyết mọi vấn đề liên quan đến kỹ thuật cơ khí, điện-điện tử và kỹ thuật phần mềm. Từ những thực tế trên, là sinh viên của ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, từ những kiến thức đã được học, em đã lựa chọn đề tài:“ Nghiên cứu xây dựng hệ thông điều khiển thông minh bàn tay Robot”.

Các bộ phận điện tử là thuật ngữ rất phổ biến trong lĩnh vực khoa học thay thế bộ phận trong cơ thể sống, bằng một thiết bị cơ điện tử hay máy. Những thứ mang sự sống kết hợp với máy móc là điều tất yếu. Đặc biệt là về quá trình tiến hóa của bộ phận điện tử cho những người bị mất đi một hay một vài bộ phận nào đó trong cơ thể hoặc thay thế cơ thể con người làm những việc mà con người không nên tiếp xúc có tính chất nguy hiểm. Việc tạo ra một hệ thống như vậy để thay thế con người trong công việc và cuộc sống là vấn đề hết sức cần thiết.

Tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan 1. Giới thiệu về robot Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc robota, có nghĩa là “lao động cưỡng bức”. Năm 1921, từ “Robot” xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rosum’s Universal Robots ” của nhà viết kịch viễn tưởng người Séc, Karel Capek [5]. Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot: Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra robot thống nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con người là tạo ra thiết bị thay thế mình trong những hoạt động không thích hợp với mình như: Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà… Trong môi trường khắc nghiệt, hoặc nguy hiểm: như ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao… Những việc đòi hỏi độ chính xác cao như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các phần tử trong vi mạch… Lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm.

Ngày nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thủy rất nhiều. Sự phỏng tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không còn ngự trị trong kỹ thuật robot nữa. Kết cấu của nhiều con robot khác xa với kết cấu các bộ phận của cơ thể người và chúng cũng có thể thực hiện được những việc vượt xa khả năng của con người. Bên cạnh đó con người cũng đang hướng đến việc chế tạo ra những con Robot có cơ cấu cũng như hình dáng giống với con người nhằm thực hiện những công việc đòi hỏi sự uyển chuyển của đôi tay cũng như những công việc bình thường của con người mà những cánh tay máy bình thường khó có thể thực hiện được.

4 Ngoài ra con người đang hướng tới tạo ra những thiết bị hỗ trợ cũng như thay thế các bộ phận bị mất của con người có cấu trúc cũng như chức năng tương tự với bộ phân đã mất đó nhằm giúp cho con người có thể có được những sinh hoạt bình thường. Thành phần cấu tạo của Robot, các bộ phận chính bao gồm: Các bộ phận điều khiển: Mạch điều khiển, cảm biến … Nguồn năng lượng: Ắc quy, pin, điện một chiều. Các bộ phận thực hiện: Động cơ, xi- lanh,. Truyền thông: Truyền phát tín hiệu từ các modul truyền thông điều khiển hoạt động của Robot.

Trong nước Người máy AI được chế tạo tại Việt Nam – Robot Trí Nhân lần đầu tiên được giới thiệu trước công chúng.1 Robot giáo dục Trí Nhân Được thiết kế, chế tạo bởi Nhà khoa học, chuyên gia về Trí tuệ nhân tạo Phạm Thành Nam, Trí Nhân là một robot có kích thước như một nam giới trưởng thành, được in 3D 5 với năm giác quan và các yếu tố mô phỏng sinh học như tim phổi nhân tạo và chuỗi AND [6]. Theo ghi nhận của những người đã từng có cơ hội chiêm ngưỡng và trực tiếp trao đổi với robot, hầu hết trong các lĩnh vực Tri Nhân đều có thể hiểu và trả lời các câu hỏi liên quan, đặc biệt là trong lĩnh vực liên quan đến toánh học [6]. Ngoài ra robot còn có thể đọc truyện, thơ, trở thành thông dịch viên, sử dụng những câu cảm thán để tương tác, câu nói đùa để tạo ra tiếng cười với mọi người… Hiện tại Tri Nhân chưa được chế tạo có thể tự bước đi, kết cấu hai cánh tay còn khá yếu và chưa thể tạo ra biểu cảm khuôn mặt, nhưng các nhà sáng tạo Trí Nhân nhận định, robot này trong tương lai sẽ vượt lên Robot Sophia và sẽ cho robot Trí Nhân hoạt động phổ biến rộng rãi ở nhiều lĩnh vực khác chứ không dừng lại ở lĩnh vực giáo dục như y tế, ngân hàng… Và tất nhiên chi phí để sản xuất của Trí Nhân rất cao, để hoàn thiện hơn thì cũng có rất nhiều điều cần phải làm. Ý tưởng sáng tạo của nhóm sinh viên Việt Nam: Tạo cánh tay robot cho người khuyết tật Hình 1.2 Nhóm nghiên cứu chế tạo cánh tay robot 6 Để chế tạo cánh tay robot sử dụng công nghệ sóng não, nhóm xây dựng mô hình gồm 3 phần: Cơ khí hóa cánh tay, có khoảng 24 chi tiết; mạch điều khiển dùng mô đun bluetooth, vi xử lý điều khiển, động cơ hoạt động; thiết bị tai nghe thu nhận sóng não [7].

Nhóm dự định sau khi điều khiển ổn định sẽ dùng phương pháp xử lý ảnh để hỗ trợ cánh tay phân tích những loại vật dụng khác nhau, qua đó có thể giúp cánh tay đưa ra lực phù hợp để cầm, nắm. Có thể thấy, sản phẩm của nhóm sinh viên này nếu hoàn thiện về tính năng, hình thức và được thương mại hóa thành công sẽ giúp người khuyết tật có được những cánh tay kỳ diệu, thiết thực góp phần cải thiện, nâng cao chất lượng sống, hòa nhập tốt hơn với cộng đồng. Công ty Vulcan Augmetics Thành lập tháng 7/2018, Vulcan Augmetics là start-up duy nhất đến từ Đông Nam Á và là 1 trong 2 đại diện đến từ các nước đang phát triển. Về mô hình kinh doanh, Vulcan Augmetics là start-up duy nhất hoạt động trong mảng công nghệ phần cứng và phục vụ cho cộng đồng người khuyết tật [8].3 Logo công ty Vulcan Augmetics 7 1.

Ngoài nước Những robot đầu tiên được đưa vào nghiên cứu, ứng dụng là những tay máy. Vào năm 1948 hãng General Mills chế tạo tay máy có cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với cữ hành trình. Đến năm 1954, tiếp tục phát triển tay máy sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác dụng lên khâu cuối, nhờ đó mà vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong việc khảo sát đáy biển. Năm 1968, General Electric, Robot có 4 chân nặng 1400 kg sử dụng động cơ đốt trong và có công suất 100 Hp.

Năm 1969, robot Shakey nhận dạng hình ảnh bằng camera. Năm 1970, xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokhod 1 được điều khiển từ Trái Đất. Năm 1976, cánh tay robot đầu tiên được đưa lên tàu thám hiểm Viking của NASA trên sao Hỏa. Sophia (robot) Sophia là một Robot mang hình dạng giống con người được thiết kế và phát triển bởi công ty công nghệ Mỹ Hanson Robotics có trụ sở đặt tại Hồng Kông.