Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ dạy học thủ ngữ cho trẻ em thông qua cánh tay robot

Luận văn thạc sĩ giáo dục phân tích nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ dạy học thủ ngữ cho trẻ em thông qua cánh tay robot, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Công Trình Nghiên Cứu Khoa Học

2022

98
1
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

1. CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ THỰC HIỆN. CÁNH TAY ROBOT ASLAN. NHẬN DIỆN NGÔN NGỮ KÍ HIỆU DỰA TRÊN YOLOV5. NHẬN DIỆN NGÔN NGỮ KÍ HIỆU SỬ DỤNG MEDIAPIPE VÀ LONG SHORT-TERM MEMORY. NGÔN NGỮ KÍ HIỆU VIỆT NAM. PHÁT HIỆN VẬT THỂ (OBJECT DETECTION). MẠNG XƯƠNG SỐNG CSPDARKNET. YOU ONLY LOOK ONCE (YOLO). NHẬN DẠNG HÀNH ĐỘNG (ACTION RECOGNITION). RECURRENT NEURAL NETWORK (RNNS). GATED RECURRENT UNITS (GRUS). THƯ VIỆN MEDIAPIPE HAND. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG. ĐỘNG CƠ BƯỚC NEMA 17 TỈ SỐ 3969/289. MODULE ADAFRUIT PWM/SERVO DRIVER PCA9685. MÀN HÌNH CẢM ỨNG ĐIỆN DUNG WAVESHARE LCD (C).

2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1. Thiết kế phần cứng

2.2. Thiết kế phần cứng cơ khí

2.3. Thiết kế mạch điều khiển

2.4. Phần mềm và thuật toán

2.4.1. Kiến trúc mạng mô hình nhận diện cử chỉ tĩnh YoloV5

2.4.2. Kiến trúc mạng của mô hình nhận diện cử chỉ động

2.5. Thiết kế giao diện

2.6. Các Framework xây dựng mô hình mạng

3. CHƯƠNG 3: THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM

3.1. Thi công phần cứng

3.2. Lắp ráp cánh tay giả

3.3. Thi công board mạch

3.4. Các thực nghiệm cho nhận diện cử chỉ tĩnh

3.4.1. Thu thập và tăng cường dữ liệu

3.4.2. Huấn luyện mô hình YoloV5

3.5. Các thực nghiệm cho nhận diện cử chỉ động

3.5.1. Huấn luyện mô hình GRUs

3.5.2. Thu thập dữ liệu

3.6. Xây dựng giao diện tương tác

4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ

4.1. Mô hình phần cứng của hệ thống

4.2. Mô hình phát hiện cử chỉ tĩnh

4.3. Mô hình nhận diện cử chỉ động

4.4. Giao diện tương tác với người học

4.5. Nhận xét và đánh giá

4.6. Tài liệu hướng dẫn sử dụng

4.7. Dự toán chi phí thi công

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MINH CHỨNG SẢN PHẨM ĐỀ TÀI

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết kế cánh tay robot hỗ trợ dạy học thủ ngữ

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ dạy học thủ ngữ cho trẻ em là một sáng kiến quan trọng trong lĩnh vực giáo dục. Sự phát triển của công nghệ robot giáo dục đã mở ra nhiều cơ hội cho trẻ em câm điếc trong việc tiếp cận ngôn ngữ ký hiệu. Cánh tay robot không chỉ giúp trẻ em học tập một cách trực quan mà còn tạo ra môi trường học tập thân thiện và hiệu quả.

1.1. Tầm quan trọng của ngôn ngữ ký hiệu trong giáo dục

Ngôn ngữ ký hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp của trẻ em câm điếc. Việc học ngôn ngữ này giúp trẻ em phát triển khả năng giao tiếp và hòa nhập xã hội. Theo WHO, có khoảng 34 triệu trẻ em điếc trên toàn thế giới, và việc giáo dục ngôn ngữ ký hiệu là cần thiết để giúp họ tiếp cận tri thức.

1.2. Công nghệ robot trong giáo dục hiện đại

Công nghệ robot giáo dục đang ngày càng trở nên phổ biến. Các thiết bị như cánh tay robot không chỉ giúp trẻ em học tập mà còn tạo ra những trải nghiệm học tập thú vị. Việc áp dụng công nghệ này vào giáo dục ngôn ngữ ký hiệu sẽ giúp nâng cao hiệu quả giảng dạy.

II. Vấn đề và thách thức trong việc dạy học thủ ngữ

Mặc dù ngôn ngữ ký hiệu rất quan trọng, nhưng việc dạy học thủ ngữ cho trẻ em câm điếc vẫn gặp nhiều thách thức. Số lượng giáo viên có khả năng dạy ngôn ngữ ký hiệu còn hạn chế, đặc biệt ở các vùng nông thôn. Điều này dẫn đến việc trẻ em không có đủ cơ hội để học tập và phát triển.

2.1. Thiếu hụt giáo viên dạy ngôn ngữ ký hiệu

Số lượng giáo viên dạy ngôn ngữ ký hiệu hiện nay còn rất ít, đặc biệt là ở các khu vực nông thôn. Điều này gây khó khăn cho trẻ em câm điếc trong việc tiếp cận kiến thức và phát triển kỹ năng giao tiếp.

2.2. Khó khăn trong việc học ngôn ngữ ký hiệu

Ngôn ngữ ký hiệu có cấu trúc phức tạp và cần có sự hướng dẫn của giáo viên. Trẻ em câm điếc thường gặp khó khăn trong việc học mà không có sự hỗ trợ từ giáo viên, dẫn đến việc thiếu hụt kiến thức cơ bản.

III. Phương pháp thiết kế cánh tay robot hỗ trợ dạy học thủ ngữ

Để giải quyết các vấn đề trong việc dạy học thủ ngữ, nhóm nghiên cứu đã áp dụng các phương pháp thiết kế cánh tay robot hiện đại. Cánh tay robot được thiết kế để thực hiện các ký tự thủ ngữ một cách chính xác và hiệu quả, giúp trẻ em dễ dàng học tập.

3.1. Thiết kế phần cứng cánh tay robot

Cánh tay robot được thiết kế với các linh kiện hiện đại như động cơ servo và mạch điều khiển. Việc sử dụng công nghệ in 3D giúp tạo ra các bộ phận chính xác và dễ dàng lắp ráp.

3.2. Phát triển phần mềm nhận diện cử chỉ

Phần mềm nhận diện cử chỉ được phát triển dựa trên các thuật toán học sâu. Các mô hình như YoloV5 và MediaPipe được sử dụng để nhận diện các ký tự thủ ngữ một cách chính xác và nhanh chóng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cánh tay robot trong giáo dục

Cánh tay robot không chỉ là một thiết bị học tập mà còn là một công cụ hỗ trợ giáo dục hiệu quả. Thiết bị này giúp trẻ em câm điếc tự học và tự kiểm tra kiến thức của mình một cách độc lập.

4.1. Giao diện người dùng thân thiện

Giao diện người dùng được thiết kế đơn giản và dễ sử dụng, giúp trẻ em dễ dàng tương tác với cánh tay robot. Các chế độ học tập như 'Học chữ' và 'Kiểm tra' được tích hợp để hỗ trợ quá trình học.

4.2. Kết quả nghiên cứu và đánh giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy cánh tay robot có khả năng thực hiện 36/44 ký hiệu của ngôn ngữ ký hiệu Việt Nam với độ chính xác trên 97%. Điều này chứng tỏ hiệu quả của thiết bị trong việc hỗ trợ dạy học.

V. Kết luận và tương lai của thiết bị hỗ trợ dạy học thủ ngữ

Thiết bị cánh tay robot hỗ trợ dạy học thủ ngữ cho trẻ em là một bước tiến quan trọng trong giáo dục. Với những thành công đạt được, thiết bị này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho trẻ em câm điếc trong việc học tập và phát triển.

5.1. Tiềm năng phát triển trong giáo dục

Cánh tay robot có tiềm năng lớn trong việc mở rộng ứng dụng giáo dục cho trẻ em câm điếc. Việc phát triển thêm các tính năng mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả giảng dạy.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu sẽ tiếp tục tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của các mô hình nhận diện cử chỉ và mở rộng khả năng của cánh tay robot để phục vụ cho nhiều đối tượng học sinh khác nhau.

14/07/2025
Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị hỗ trợ dạy học thủ ngữ cho trẻ em thông qua cánh tay robot

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chương này cung cấp ngắn gọn và tổng quát về các yêu cầu của báo cáo bao gồm giới thiệu, mục tiêu, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày những cơ sở bao gồm các khảo sát về các nghiên cứu đã được thực hiện, lý thuyết về các thuật toán và nguyên lý hoạt động của các module được sử dụng để thực hiện đề tài. Chương 3: Thiết kế hệ thống Chương này trình bày chi tiết các thiết kế cho toàn bộ hệ thống bao gồm: phần cứng, phần mềm và các thuật toán. Chương 4: Thi công và thực nghiệm Chương này trình bày về những thực nghiệm bao gồm thi công phần cứng, mô tả về các quá trình thu thập dữ liệu và huấn luyện các mô hình mạng.

Chương 5: Kết quả thực hiện, nhận xét và đánh giá Chương này đưa ra các kết quả thực hiện, các kí tự được thao tác trên cánh tay robot, các biểu đồ phần tích hiệu năng của hai mô hình nhận diện và đưa ra nhận xét chung về toàn hệ thống. Chương 6: Kết luận và kiến nghị Kết luận về các nội dung nghiên cứu đã thực hiện và kiến nghị về các lĩnh vực nên ứng dụng hay sử dụng kết quả nghiên cứu. Các nghiên cứu đã thực hiện 2. Cánh tay robot Aslan Một nhóm nghiên cứu thuộc đại học Antwerp đã nghiên cứu phát triển thành công một thiết bị phiên dịch văn bản hoặc lời nói sang ngôn ngữ ký hiệu kí hiệu dựa trên nguyên mẫu phần cứng là một cánh tay robot [8].

Để sử dụng, người dùng cần kết nối với mạng cục bộ và gửi tin nhắn văn bản đến Aslan, và cánh tay sẽ thao tác các chữ cái trong hệ thống bảng chữ cái theo như nhóm thiết kế gọi đó là chính tả ngón tay, trong đó mỗi chữ cái riêng lẻ được thể hiện thông qua một cử chỉ riêng biệt. Mô hình cánh tay robot Aslan. Phần cứng của cánh tay robot đã được chế tạo và lắp ráp từ công nghệ in 3 như Hình 2. Để điều khiển được cánh tay robot hoạt động, bên trong cánh tay robot đã sử dụng 16 động cơ servo, 3 bộ điều khiển động cơ, 1 board vi điều khiển Arduino Due, và một số các linh kiện khác.

Nhận diện ngôn ngữ kí hiệu dựa trên YoloV5 Trong bài báo được công bố vào năm 2021 [9], Tasnim Ferdous Dima và đồng nghiệp đã cho công bố một hệ thống có thể nhận diện 36 chữ cái và chữ số trong ngôn ngữ kí hiệu Mỹ. Để cải thiện được tốc độ nhận diện nhưng không ảnh hưởng đến độ chính xác, nhóm tác giả đã đề xuất cách tiếp cận mới đó là mạng YoloV5. Tập dữ liệu Benchmark (MU_HandImages ASL) đã được dùng trong suốt quá trình huấn luyện và đánh giá. Kết quả mà hệ thống thu được là khả năng nhận diện thời gian thực với độ 4 chính xác trung bình khá ấn tượng bao gồm: 95% Precision, 97% Recall, 98% mAP@0.

Nhận diện ngôn ngữ kí hiệu sử dụng MediaPipe và Long Short-Term Memory Với một cách tiếp cận mới hơn, đối tượng hướng đến là các cử chỉ động trong ngôn ngữ kí hiệu Mỹ. Trong bài báo [10], Souradeep Ghosh đã sử dụng MediaPipe Hand framework để trích xuất tọa độ 42 keypoints từ các đốt ngón tay của hai bàn tay. Sau đó, các tọa độ này được đưa vào mô hình LSTM phục vụ cho việc huấn luyện, một mô hình cực kì phù hợp với các bài toán làm với dữ liệu dạng chuỗi. Mô hình của tác giả tạo ra có thể nhận diện trong thời gian thực với 5 từ bao gồm: “wait, think, tiger, teacher, twins”.

Ngôn ngữ kí hiệu Việt Nam Ngôn ngữ ký hiệu của mỗi quốc gia hay mỗi khu vực sẽ khác nhau. Nó không được sáng tạo ra bởi duy nhất một ai cả mà dần hình thành dựa trên phong tục, văn hóa, lịch sử của từng cộng đồng người câm – điếc. Qua thời gian, ngôn ngữ ký hiệu càng phát triển và dần có những điểm chung giữa các cộng đồng. Tuy nhiên họ vẫn giữ cho mình những nét đặc trưng nhất định của từng khu vực.

Như ở Hồ Chí Minh, người ta dùng tay chỉ vào môi để nói về “màu hồng” trong khi người Hà Nội lại dùng tay xoa vào má. Bảng ký hiệu thủ ngữ cơ bản trong Tiếng Việt Dựa theo cách diễn đạt, có thể chia ngôn ngữ ký hiệu thành hai nhóm là đánh vần và nhóm giao tiếp. Nhóm giao tiếp thường được dùng trong các hoạt động hằng ngày như ngủ sẽ lấy hai tay chắp lại đưa lên má hoặc hát sẽ nắm tay lại đưa ra trước miệng và thường diễn đạt bằng cả hai tay kết hợp với cơ thể, biểu cảm của khuôn mặt để diễn đạt một từ, một cụm từ hoặc một câu ở những ngữ cảnh nhất định. Trong khi ở nhóm đánh vần, đối tượng sử dụng sẽ là những người bắt đầu học ngôn ngữ ký hiệu, các ký tự thủ ngữ trong nhóm này thường chỉ dùng một tay để diễn đạt.

Trong nhóm đánh vần sẽ bao gồm những ký tự về chữ cái, chữ số hay và các dấu thanh cơ bản (Hình 2.2) và đây cũng là đối tượng chính mà đề tài nhóm hướng đến. Dựa vào luận án về nhận dạng ngôn 5 ngữ ký hiệu Tiếng Việt [11], có thể chia các ký tự này thành hai loại là ký hiệu tĩnh và liên tục. Ký hiệu tĩnh chủ yếu được dùng để diễn tả cử chỉ tĩnh như chữ “A”, “S” hay các số “2”, “5”. Còn đối với loại ký tự liên tục cần thực hiện một chuỗi các thao tác để diễn tả như dấu ngã (~), dấu huyền (`) hay các chữ cái “Ă”, “Ê”, “Ư”.

Deep Learning ra đời đã tạo một cuộc đua xây dựng các kiến trúc mô hình với hàng chục thậm chí hàng trăm lớp mạng được chồng lên nhau để giải quyết các bài toán cụ thể chẳng hạn như thị giác máy tính hay xử lí ngôn ngữ tự nhiên. Convolution Neural Networks (CNNs) là một mô hình mạng cơ bản và cực kì nổi tiếng trong lĩnh vực học sâu. CNNs ra đời giúp tiết kiệm thời gian cho việc trích xuất đặc trưng của các đối tượng trong một tấm ảnh so với các phương pháp thủ công trước đó. Mạng CNNs đưa chúng ta đến một cách tiếp cận mới hơn trong các bài toán nhận thức hình ảnh.

Cụ thể CNNs đã khai thác các nguyên lý từ đại số tuyến tính, đặc biệt là phép nhân ma trận để định danh các mẫu trong một tấm ảnh. Điều đó cũng đồng nghĩa là công nghệ này đỏi hỏi cao về mặt tính toán, đòi hỏi các đơn vị xử lí đồ họa (GPUs) mạnh mẽ để đào tạo các mô hình. Mạng nơ-ron với nhiều lớp Convolution [12] Nhìn chung các mô hình CNN đều tuân theo một kiến trúc mạng nhất định. Mỗi mô hình sẽ là một sự chuỗi các lớp mạng nối tiếp mà đầu ra của lớp trước chính là đầu vào của lớp sau.

Trong số đó có 3 ba lớp mạng chính được thể hiện ở Hình 2.3, bao gồm lớp Convolution, lớp Pooling và lớp Fully connected. - Lớp Convolution: Sử dụng các bộ lọc dưới dạng các ma trận để nhân chập với ảnh đầu vào, sau đó cho qua các hàm kích hoạt để tạo ra các bản đồ đặc trưng (feature map) - Lớp Pooling: Pooling là một lớp nằm sau các lớp convolution layer, có tác dụng làm giảm kích thước của bản đồ đặc trưng, từ đó giúp giảm số lượng tính toán 6 cho các lớp phía sau. Nhờ sự tổ hợp của lớp Convolution lớp Pooling đi kèm đã giúp cho các đặc trưng càng về sau càng có tính khái quát cao - Lớp Fully connected (FC): Lớp này hoạt động tương tự như một mạng nơ-ron nhiều lớp của ANNs. FC giúp biến đối các đặc trưng ở giai đoạn cuối của mạng và đưa kết quả đến ngõ ra.

Phát hiện vật thể (Object Detection) 2. Giới thiệu Khi nhắc đến lĩnh vực thị giác máy tính, một trong những phương thức quan trọng tạo nên làn sóng giúp công nghệ trí tuệ nhân tạo phát triển đó là bài toán phát hiện vật thể. Khác với bài toán phân loại, phát hiện vật thể có khả năng thực hiện hai nhiệm vụ gần như đồng thời, đó là xác định vị trí của một hay nhiều đối tượng trong một ảnh và gán nhãn phân loại cho các đối tượng đó. Các ứng dụng của phát hiện vật thể xuất hiện nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như an ninh, thống kê, người máy và vô số lĩnh vực khác.

Tuy nhiên với khả năng mà CNNs mang lại thì cách tiếp cận đó không thể giải quyết được được bài toán mà phát hiện vật thể đặt ra, vì bản chất CNNs chỉ là một mạng trích xuất đặt trưng ảnh và đầu ra là kết quả phân loại. Từ khoảng năm 2012 cho đến nay, hàng loạt các mạng chuyên sâu ra đời như một hướng tiếp cận mới cho vấn đề này. Đáng kể đến là các kiến trúc mạng RCN, fast R-CNN, faster R-CNN, đó là những kiến trúc mạng khai sinh ra thuật ngữ Region of Interest (RoI) hay còn được hiểu là kĩ thuật đề xuất các vùng có thể chứa đối tượng. Và sau này nhu cầu về triển khai với tốc độ đáp ứng thời gian thực trở thành một xu hướng từ đó dẫn đến sự xuất hiện các mạng nhận diện với tốc độ nhanh hơn như YOLO hay SSD.

Sự khác biệt cơ bản của các mạng này đó là có thể đưa ra dự đoán cho các “class” và vẽ “bounding box” chỉ với một lần chạy thuật toán. Mạng xương sống CSPDarknet Bắt đầu từ những năm 2000 đến nay, hàng loạt các cấu trúc mạng CNNs phức tạp làm cơ sở để trích xuất các đặc trưng ảnh theo chiều sâu đã được được đề xuất với tên gọi là mạng xương sống “backbone”. Mục tiêu của các mạng xương sống này là tăng tính khái quát và trừu tượng của mô hình để tính toán các đặc trưng của ảnh ngày một sâu hơn. Đồng thời tăng tính ứng dụng trong nhiều bài toán nhận thức hình ảnh khác nhau dựa trên khái niệm trường nhìn (Receptive Field) của từng nơ-ron.

CSPNet là một mô hình mạng sương sống với nguyên lý được mô tả ở Hình 2.4 Mô hình bắt đầu bằng việc chia bản đồ đặc trưng đầu vào thành hai phần bằng nhau, một phần được giữ nguyên để đưa ghép nối ở các lớp sau, phần còn lại được đưa vào khối xử lý gốc thông thường để trích xuất các đặc trưng. Điểm mạnh của khối CSP là giảm thiểu 50% khối lượng tính toán bằng cách chia feature map ra làm hai. Từ đó kết 7 nối CSP vừa giúp bảo toàn một phần thông tin từ các lớp trước, vừa đảm độ phức tạp của mô hình mà còn giảm được số lượng tính toán.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ dạy học thủ ngữ cho trẻ em" trình bày một giải pháp sáng tạo nhằm hỗ trợ việc dạy học thủ ngữ cho trẻ em thông qua việc sử dụng cánh tay robot. Cánh tay robot không chỉ giúp trẻ em học cách giao tiếp hiệu quả hơn mà còn tạo ra một môi trường học tập thú vị và tương tác. Bằng cách kết hợp công nghệ với giáo dục, tài liệu này mở ra những cơ hội mới cho việc phát triển kỹ năng giao tiếp của trẻ em, đặc biệt là những trẻ có nhu cầu đặc biệt.

Để hiểu rõ hơn về các công nghệ liên quan, bạn có thể tham khảo Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật nhận diện cử chỉ tay dựa trên trở kháng sinh học, nơi khám phá cách nhận diện cử chỉ tay có thể được áp dụng trong giáo dục. Ngoài ra, tài liệu Luận văn thạc sĩ thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện bằng nhận diện cử chỉ cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về việc điều khiển thiết bị thông qua cử chỉ, một khía cạnh quan trọng trong việc phát triển cánh tay robot. Cuối cùng, bạn có thể tìm hiểu thêm về Gesture control robot, tài liệu này sẽ giúp bạn nắm bắt các ứng dụng thực tiễn của robot điều khiển bằng cử chỉ trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và hiểu rõ hơn về các công nghệ hỗ trợ giáo dục hiện đại.