Chương 1: TỔNG QUAN Ý TƯỞNG 1. Lý do chọn đề tài Môn thể thao tennis từ lâu đã không còn là môn thể thao chỉ dành cho tầng lớp thượng lưu. Giờ đây tennis được biết đến là một sở thích cũng như nhu cầu giải trí dành cho mọi tầng lớp và lứa tuổi. Nhưng đi kèm với niềm vui tennis mang lại là chi trả chi phí đắt đỏ thuê huấn luyện viên và nhân viên nhặt bóng theo giờ.
Nhằm đáp ứng nhu cầu tập luyện với chi phí thấp hơn nhưng hiệu quả hơn, ý tưởng “Robot Nhặt Bóng Hỗ Trợ Người Chơi Tennis” được hình thành. Ý tưởng về một công cụ hỗ trợ nhặt bóng cho người chơi tennis đã được hình thành từ lâu và được đến qua một vài từ khóa như : Playmate ball mower, Ball hopper hay Ball tube,. Tuy nhiên các công cụ này vẫn là thủ công với nhiều điểm bất tiện.3 Playmate ball mower Ball Hopper Ball Tube 1 do an Cụm từ “ robot nhặt bóng thông minh” chỉ mới xuất hiện chính thức lần đầu tiên tại Hội chợ Điện tử Tiêu dùng - CES (Consumer Electronics Show) 2017. Và robot nhặt bóng tennis đầu tiên trên thế giới với cái tên “ Tennibot” xuất hiện với hàng loạt các điểm mạnh so với các dụng cụ hiện có như: Bảng 1.1 So sánh các công cụ nhặt bóng [1] Với slogan: ”Tennibot: The World's First Robotic Tennis Ball Collector” Đi kèm với đó là nhận được làn sóng tích cực từ các trang đánh giá lớn: TIME, recode, LosAngeles Times,.
Dù Tennibot vẫn chưa được đi vào dây chuyền sản xuất chính thức, nhưng đã được hơn 80.000 đơn hàng đặt trước từ khắp nơi trên thế giới. [1] Cho thấy sự đón nhận cũng như nhu cầu về sản phẩm robot nhặt bóng thông minh đó của con người là rất lớn .4 Các đánh giá về Tennibot [1] 2 do an Thực tế hiện nay, tình hình sử dụng robot trong việc hỗ trợ tập luyện vẫn còn gặp nhiều khó khăn với nhiều lý do: - Giá thành cao khi nhập robot từ nước ngoài - Giao diện sử dụng và sách hướng dẫn khó tiếp cận - Thiết bị sạc gặp khó khăn với nguồn điện khác nhau giữa các nước - Vấn đề bảo hành , sửa chữa phức tạp và tốn nhiều thời gian - …. Nhằm mục đích hỗ trợ nhặt bóng tennis với chi phí hợp lý mà vừa hiệu quả hơn vừa thân thiện với người dùng trong nước. Nhóm chúng tôi đã quyết định thiết kế và thực hiện đề tài “Robot Nhặt Bóng Hỗ Trợ Người Chơi Tennis” 1.
Mục tiêu của đề tài Các lợi ích khi sử dụng Robot Nhặt Bóng Hỗ Trợ Người Chơi Tennis được đặt ra : - Không phải lãng phí thời gian để nhặt bóng - Robot có thể hoạt động độc lập không cần điều khiển - Hoàn toàn không dây - Có phần mềm điều khiển và giao diện quan sát cụ thể dễ hiểu - Robot dễ dàng vận chuyển và kích hoạt chỉ với một người - Robot thông minh tự tránh vật cản Từ đó Robot được thiết kế và thực hiện để thực hiện được những mục tiêu cụ thể sau: Mô hình robot - Kích thước và khối lượng tối giản - Có thể hoạt động được trong môi trường có nắng và mưa nhẹ - Các bộ phận được lắp ráp riêng lẻ dễ dàng sửa chữa, bảo hành - Bộ phận di chuyển phù hợp với bề mặt sân tennis - Bộ phận thu nhặt bóng tuần tự và giảm thiểu kẹt bóng tối đa - Bộ phận mạch điều khiển được tập trung tại một điểm dễ kết nối và bảo vệ - Bộ phận trữ bóng lớn trên 20 bóng và dễ dàng thay thế Chức năng hoạt động - Sử dụng xử lý ảnh kết hợp thuật toán di chuyển tránh vận cản - Robot hoạt động với nhiều chức năng : bằng tay, theo lộ trình cho trước, và tự động hoàn toàn - Người dùng điều khiển từ xa bằng app điện thoại - Nhân viên bảo hành dễ dàng thu thập thông tin và điều chỉnh số liệu thông qua giao diện quan sát trình duyệt web 3 do an Năng suất và giới hạn hoạt động - Không tốn quá 5s với mỗi thao tác nhặt bóng - Dung lượng pin đủ cho nhu cầu sử dụng với mỗi lần sạc - Hoạt động tốt trong khuôn viên sân tennis - Hoạt động ngoài trời với môi trường nắng, gió vừa phải 1. Nội dung của đề tài - Đưa ra phương án thiết kế - Thiết kế xây dựng bản vẽ - Xây dựng và lắp ráp mô hình - Nghiên cứu về xử lý ảnh và xác định vị trí bóng - Xây dựng phương pháp điều khiển và chương trình điều khiển - Nghiên cứu và xây dựng phương pháp quan sát - Điều khiển và điều chỉnh tại thực nghiệm 4 do an Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về Robot tự hành 2. Khái niệm Robot tự hành Ngày nay, Robot học đã đạt được những thành tựu to lớn trong nền sản xuất công nghiệp.
Những cánh tay robot có khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác và liên tục làm năng suất lao động tăng nhiều lần. Chúng có thể làm việc trong các môi trường độc hại như hàn, phun sơn, các nhà máy hạt nhân, hay lắp ráp các linh kiện điện tử tạo ra điện thoại, máy tính.một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ, chính xác cao. Tuy nhiên những robot này có một hạn chế chung đó là hạn chế về không gian làm việc. Không gian làm việc của chúng bị giới hạn bởi số bậc tự do tay máy và vị trí gắn chúng.
Ngược lại, các Robot tự hành lại có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau. Robot tự hành là loại Mobile robot có khả năng tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp của con người. Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh. Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người.
Với sự phát triển của ngành Robot học, robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như robot sơn, robot hàn, robot cắt cỏ, robot thám hiểm đại dương, robot làm việc ngoài vũ trụ. Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu.3 Legged robot Wheel robot with Wheel robot balanced system 5 do an 2.2 Phương pháp di chuyển của Robot tự hành a) Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot) Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề. Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu. Nhược điểm chính của robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp.
Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển. Các kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot. Robot càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao. [2] b) Robot tự hành di chuyển bằng bánh(Wheel Robot tự hành) Bánh xe là cơ cấu chuyển động đuợc sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ Robot tự hành, vấn đề cân bằng thuờng không phải là vấn đề đuợc chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh.
Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng đuợc. Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thuờng nguời ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất. vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động. Dựa vào mục đích hoạt động là: chia lực cân đối tại 4 điểm và môi trường làm việc bằng phẳng sẳn có.
Nhóm tôi chọn phương pháp di chuyển bằng 4 bánh với cấu trúc: 2 bánh lái đa hướng ở phía trước và 2 bánh truyền động độc lập ở phía sau. [2] Sơ đồ liệt kê cấu trúc bánh xe của robot tự hành 2 bánh, 3 bánh, 4 bánh và 6 bánh: 6 do an Bảng 2.1 kí hiệu cách sắp xếp bánh xe [2] 7 do an 2. Tổng quan Robot nhặt bóng tennis Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại nước ngoài “Tennibot” là mẫu Robot nhặt bóng tennis đầu tiên trên thế giới được thương mại hóa nhưng hiện tại vẫn còn trong thời gian sản xuất và sẽ chính thức được bán toàn cầu vào khoảng tháng 7 năm 2019.4 Tennibot Với thiết kế đơn giản tối đa và được thích hợp chặt chẽ nên kích thước nhỏ gọn, cân nặng phù hợp cho một người sử dụng. Nguyên lý lấy bóng dùng 2 Rulo kẹp bóng tốc độ cao bắn bóng lên với lực vừa phải vào rỗ đựng.
Ưu điểm : - Tối giản kích thước , tối ưu hóa không gian chứa bóng - Không kẹt bóng , năng suất ổn định - Camera và thuật toán xử lý ảnh được nghiên cứu và thực nghiệm kĩ càng chính xác Khuyết điểm - Nguyên lý lấy bóng cần độ chính xác trong tính toán và cơ cấu - Giá thành cao ( 950$ cho một phiên bản tiêu chuẩn) 8 do an Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam Tại Việt Nam “Robot nhặt bóng tennis” đã được trở thành đề tài nghiên cứu của nhiều sinh viên, với sự ham muốn tìm tòi và học hỏi nên các đề tài được thực hiện tốt mặc dù vẫn còn nhiều thiếu sót.5 Một số robot của sinh viên nghiên cứu tại việt nam Ưu điểm : - Cơ cấu lấy bóng đơn giản như : lồng sóc, kẹp gắp,. - Chi phí thực hiện thấp, thích hợp cho mục đích học tập - Chức năng đáp ứng được mục tiêu cốt lõi – nhặt bóng tennis Khuyết điểm: - Thiết kế cồng kềnh, nặng nề - Không có tính thực nghiệm do nhiều lý do: + Không hoạt động trong môi trường thực tế ( ánh sáng, độ ẩm,…) + Rỗ bóng nhỏ không đáp ứng được mục đích hoạt động + Cơ cấu lấy bóng chưa tối ưu, có thể phát sinh lỗi khi hoạt động Với mục đích cải thiệt tốt hơn so với các đề tài trước , thiết kế của đề tài nhóm tôi không chỉ tận dụng được thế mạnh trong nước mà còn phải : - Giá thành hợp lý - Thuận tiện cho người dùng - Hoạt động ổn định trong môi trường thực tế - Bảo hành và thay thế phụ tùng dễ dàng. Các nghiên cứu có liên quan 2.