Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017

Kỷ yếu khoa học

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ TRONG GIA ĐÌNH
Lê Tấn Đức*, Nguyễn Trung Hướng, Lương Thành Đạt
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
*Tác giả liên lạc:
TÓM TẮT
Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, các ngành khoa học - kỹ thuật không ngừng đi
đến những thành công mới. Nhiều cơng trình khoa học, những phát minh của các nhà khoa
học đã đi vào cuộc sống, phục vụ lợi ích của con người. Đời sống con người ngày càng được
nâng cao (về vật chất, lẫn tinh thần). Vì vậy nhằm đáp ứng nhu cầu cuộc sống nhiều sản
phẩm robot phục vụ đã ra đời và ngành kĩ thuật sản xuất các sản phẩm của robot này ngày
càng phát triển. Cũng theo xu hướng phát triển đó nhóm em đã chọn đề tài robot phục vụ
trong gia đình với mục đích giúp cuộc sống con người ngày càng tốt đẹp, thoải mái hơn trong
cuộc sống, phục vụ nhu cầu quản lý, hỗ trợ, giải trí … trong gia đình.
Từ khóa: Phục vụ, quản lý, giải trí, hỗ trợ.
DESIGN AND DEVELOPMENT OF SERVICE ROBOT IN FAMILY
Le Tan Duc*, Nguyen Trung Huong, Luong Thanh Dat
HCMC University of Technology and Education
*Corresponding authour:
ABSTRACT
Along with the development of human society, the sciences - techniques constantly come to
new successes. Many scientific works, the inventions of scientists have come to life, serving
the interests of man. Human life has been improved (both material and spiritual). Therefore,
in order to meet the demand of life, many robotic products have been born and the technology
of producing robot products is growing. Also according to the development trend, the group
has chosen the topic of robots serving in the family with the aim of helping people's lives
become better, more comfortable in life, serving the need of management, support,
entertainment ... in the family.

Keywords: Support, management, serve, entertainment.
GIỚI THIỆU
Trong sự phát triển của công nghệ, máy móc
hiện đại ln giành được sự quan tâm đặc
biệt, việc sử dụng các robot trong các nhà
máy đang không ngừng phát triển về số
lượng và có khả năng thay thế con người
trong tương lai.
Cùng với sự phát triển của xã hội loài người,
các ngành khoa học - kỹ thuật khơng ngừng
đi đến những thành cơng mới. Nhiều cơng
trình khoa học, những phát minh của các nhà
khoa học đã đi vào cuộc sống, phục vụ lợi
ích của con người. Đời sống con người ngày
càng được nâng cao (về vật chất, lẫn tinh
thần). Vì vậy nhằm đáp ứng nhu cầu cuộc
sống nhiều sản phẩm robot phục vụ đã ra đời
và ngành kĩ thuật sản xuất các sản phẩm của
robot này ngày càng phát triển. Cũng theo xu
hướng phát triển đó nhóm em đã chọn đề tài
robot phục vụ trong gia đình với mục đích

giúp cuộc sống con người ngày càng tốt đẹp,
thoải mái hơn trong cuộc sống
Thiết kế cơ khí
Robot được đề cập trong bài báo này chủ yếu
hoạt động trong gia đình, phục vụ chủ yếu
cho người già và trẻ em. Người già thường ít
đi lại và đứng khơng được lâu nên chiều cao
phù hợp trong khoảng 0.5-1 mét. Để tránh sự

trơn trợt và những trở ngại về tĩnh học, động
năng. Vì thế ta thiết kế robot di chuyển bằng
bánh xe thay vì dùng chân.
Robot có 3 phần chính: đầu, thân và đế robot.
Phần thân được thiết kế nhỏ gọn và đế gồm 2
bánh xe điều hướng và một bánh tự lượn làm
cho quá trình robot di chuyển linh hoạt hơn
trong khơng gian nhiều gia đình khác
nhau.u cầu robot nhỏ gọn nên việc sử
dụng một màn hình sẽ hợp lý. Màn hình cảm
ứng hiển thị và tương tác với người dùng
được đặt trên đầu robot với 2 trục quay ở cổ

404


Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017

tạo điều khiện phù hợp khi giao tiếp với
người dùng ở các vị trí và chiều cao khác
nhau. Tốc độ tối đa của robot là 0.9 km/h.

Kỷ yếu khoa học

Dựa trên các tiêu chí chính nêu trên, chúng
tơi đã thiết kế mẫu robot như hình 1.

Hướng y

Hình 1. Hình dạng bên ngồi của robot

Mơ hình động học của robot di động biểu Hoạt động của robot phụ thuộc vào các biến
diễn bởi hệ phương trình cho phép phỏng điều khiển v và w.
đốn vị trí của robot trên quỹ đạo của nó, xác
w  wr  r
v l
(3)
định vị trí và hướng robot cùng với q trình
2
điều khiển, tất cả di chuyển của robot di động
 w  wr 
có thể chia thành chuyển động tịnh tiến và
w l
(4)
l
quay. Phần tử cơ bản của mọi robot di động
là bánh xe. Tham số động học bao gồm bán
 x
v
cos

sin

l
2




l
 y

kính bánh xe, chiều dài trục gắn bánh xe,




 
điểm đặt trọng tâm...Mơ hình động học được
vr  cos  sin   l 2   
 
đơn giản gồm 2 bậc tự do (DoF) có 3 bánh
gồm 2 bánh chủ động và 1 bánh bị động tự Với wl và wr là vận tốc góc của bánh xe trái
lựa (caster) như hinh 2. Trạng thái của robot và phải của robot. Với giá trị wl và wr khác
di động với cơ cấu bánh xe vi sai thay đổi nhau của robot, quỹ đạo sẽ hình thành. vl là
theo vận tốc 2 bánh chủ động, khi robot di vận tốc thẳng của bánh xe trái và vr vận tốc
chuyển từ vị trí hiện tại đến điểm cần đến.
thẳng của bánh xe phải, R là khoảng cách có
dấu từ ICR tới trung điểm của 2 bánh xe.
v
Thiết kế hệ thống điện-điều khiển


w

y

l
Hướng x

x


Hình 2. Mơ hình động học của robot di
chuyển trên bệ vi sai.
Từ mơ hình của mỗi bánh xe, vận tốc di
chuyển thẳng là vận tốc thẳng trung bình của
2 bánh xe:
  r
(1)
xr l
2
Di chuyển quay của robot là:
  r
(2)
 l
2

Hình 3. Sơ đồ kết nối mạch điện
Hệ thống điều khiển robot là một hệ thống
kết nối và tương tác giữa các thành phần và
thiết bị như: máy tính bảng, loa, microphone,
vi điều khiển, cảm biến, động cơ,…
Kiểm sốt trung tâm là máy tính bảng. Máy
tính bảng có chức năng quản lý tồn bộ hoạt

405


Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017

động của hệ thống, thu thập và xử lý thông
tin quan trọng và kết nối các thiết bị với

nhau. Ở đây, dữ liệu thu được từ camera và
micrơ được xử lý bởi CPU. Tính các hành
động thích hợp như hiển thị thông tin để giao
tiếp với người sử dụng qua màn hình và loa,
hoặc kiểm sốt hành vi của robot thông qua
các vi điều khiển qua bluetooth. Việc kiểm
soát hành vi robot được thực hiện và quản lý
bởi một vi điều khiển.
Vi điều khiển này nhận được tín hiệu điều
khiển từ máy tính bảng và sau đó phân tích
nó và gửi lệnh cho bộ truyền động để thực
hiện (di chuyển robot đến một vị trí nhất
định, thay đổi hướng của máy ảnh, vv).
Ngoài ra, vi điều khiển cũng nhận được tín
hiệu từ các cảm biến để điều khiển robot
thông minh hơn, như: sử dụng cảm biến âm
thanh để tránh các chướng ngại vật trong khi
di chuyển, đọc các tín hiệu bộ mã hố để di
chuyển đến đúng vị trí ...
Hệ thống hỗ trợ trong gia đình
Robot được ứng dụng trong môi trường hoạt
động trong nhà với nhều loại robot khác nhau
từ những môi trường điều kiện giới hạn như
phân xưởng nơi robot công nghiệp được ứng
dụng cho đến những ứng dụng trong những
hoạt động dân dụng mà môi trường không
xác định trước. Một trong những nghiên cứu
robot di động là việc định vị robot di chuyển

Kỷ yếu khoa học


đến mục tiêu một cách chính xác. Hiện nay
hầu hết robot đều di chuyển theo bản đồ cố
định có sẵn, tuy nhiên vấn đề khó khăn gặp
phải là mơi trường động, mà quản lý thông
tin theo sự thay đổi của môi trường là khá
phức tạp.
Để việc điều khiển robot tốt và linh hoạt
trong mơi trường trong nhà thì việc quản lý
thông tin môi trường cần phải được quan
tâm. Định vị thông minh, robot cần 2 kiểu
thông tin môi trường đó là thơng tin tĩnh và
tồn cục, mơ tả trong bản đồ hình học phẳng
mà nó đã có sẵn như mối quan hệ của vị trí
của từ điểm bắt đầu đến bất cứ vị trí điểm
đến bằng cách lập đường đi và thông tin cục
bộ địa phương như bản đồ trích, chướng ngại
vật, thơng tin về giao thơng dành cho việc
điều khiển robot trong mơi trường động.
Robot có thơng tin đường di chuyển đơn giản
tới mục tiêu và hệ thống trợ giúp thông tin,
thiết bị truyền thông loại nhỏ lắp trong môi
trường giúp quản lý thông tin môi trường
thực cục bộ.
Robot giao tiếp với người với những câu đơn
giản như:
- Hello, what is your name?
- How old are you?
- What's your name?
- Hi! I am MiBo.

- Can you sing a song?

Hình 4. Nhận diện giọng nói
Khi đóng vai trị trợ lý chăm sóc gia đình, với bác sỹ, giờ uống thuốc, lịch tập thể dục
Robot có thể chủ động cung cấp các nhắc hay bất cứ điều gì cần phải được ghi nhớ.
nhở với các thông tin quan trọng như lịch hẹn

Hình 5. Nhắc nhở giờ uống thuốc

406


Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017

Kỷ yếu khoa học

Hình 6. Đặt lịch hẹn thông qua robot hoặc điện thoại
Robot cũng theo dõi các tình huống khẩn cấp khẩn cấp này, các thành viên gia đình có thể
- như vấp ngã, nó sẽ ngay lập tức thông báo điều khiển Robot từ xa để di chuyển lại gần,
cho các thành viên trong gia đình qua dùng camera tích hợp trên robot để kiểm tra
smartphone. Khi nhận được các thơng báo trực quan hình ảnh hiện trường.

Hình 7. Thơng báo tình huống bị té ngã

Hình 8. Giám sát và điều khiển robot qua wifi
Bên cạnh khả năng hỗ trợ người lớn tuổi và thiết bị khác.
trẻ nhỏ, Robot có thể kết nối và điều khiển Bên cạnh đó, robot cịn có thể dự báo thời
nhiều thiết bị thông minh trong ngôi nhà, từ tiết trong ngày : nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió
các thiết bị truyền thống như hệ thống chiếu vào từng khoảng thời điểm cụ thể trong ngày.
sáng, TV, điều hòa khơng khí cho đến nhiều


407


Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017

Kỷ yếu khoa học

Hình 9. Dự báo thời tiết
KẾT LUẬN
Sau một thời gian thực hiện đã đạt được
những kết quả sau:
- Mơ hình được thực hiện hồn thiện bao
gồm các phần thiết kế cơ khí và mạch điện.
- Phân tích và xử lý ảnh nhận diện mặt người
từ đó biết được tên người và tracking theo
khn mặt.
- Phân tích và xử lý giọng nói đầu vào và cho
ra kết quả giao tiếp với người nói chuyện.
- Gọi điện cho người thân khi phát hiện có
trường hợp té ngã.
- Chủ động cung cấp các nhắc nhở với các
thông tin quan trọng như lịch hẹn với bác sỹ,
giờ uống thuốc, lịch tập thể dục hay bất cứ
điều gì cần phải được ghi nhớ.
- Robot có thể kết nối và điều khiển nhiều
thiết bị thông minh trong ngôi nhà, từ các
thiết bị truyền thống như hệ thống chiếu
sáng, TV, điều hịa khơng khí cho đến nhiều
thiết bị khác.


- Robot cịn có thể dự báo thời tiết trong
ngày: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió vào từng
khoảng thời điểm cụ thể trong ngày.
Ngồi những mặt tích cực cũng như các tiêu
chí đã đạt được như trên thì robot vẫn cịn có
nhiều nhược điểm cần được khắc phục và
nghiên cứu tiếp như: Việc tracking biên dạng
người, tránh vật cản nhanh hơn, giao tiếp
nhiều loại ngôn ngữ, thực hiện được nhiều
công việc hơn, hình dáng bên ngồi chưa
được thẩm mĩ,…
Trong q trình thực hiện đề tài, do những
hạn chế về trình độ và thời gian thực hiện đề
tài có hạn, chương trình được xây dựng hoạt
động chưa hoàn chỉnh. Để triển khai trong
thực tế còn đòi hỏi cần phải cải tiến hơn nữa.
Hy vọng robot được phát triển nhiều chức
năng và trí thơng minh nhân tạo để hỗ trợ tốt
cho con người, tối ưu hóa các thuật tốn điều
khiển và mở rộng phạm vi ứng dụng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHAN XUÂN MINH (2008), Giáo trình Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Giáo Dục.
NGUYỄN THANH THÚY, LƯƠNG BÁ MẠNH (2007), Nhập môn xử lý ảnh, NXB Khoa
Học Kỹ Thuật.
MASAO TAKIZAWA, YASUSHI MAKIHARA, NOBUTAKA SHIMADA, JUN MIURA
AND YOSHIAKI SHIRAI, A Service Robot with Interactive Vision - Object
Recognition Using Dialog with User, Osaka University, 2-1 Yamadaoka, Suita, Osaka
565-0871, Japan

JORDI-YSARD PUIGBO, ALBERT PUMAROLA, AND RICARDO TELLEZ, Controlling
a General Purpose Service Robot By Means Of a Cognitive Architecture, Technical
University of Catalonia
NICHOLAS ROY, GREGORY BALTUS, DIETER FOX, FRANCINE GEMPERLE,
JENNIFER GOETZ, TAD HIRSCH, DIMITRIS MARGARITIS, MIKE
MONTEMERLO, JOELLE PINEAU, JAMIE SCHULTE, SEBASTIAN THRUN,
Towards Personal Service Robots for the Elderly
DEB PARKER, stroke! - Accelerating the critical countdown, expediting response and
treatment, Washington University in St. Louis, The School of Medicine, 2015.

408