Cánh tay robot làm thay con người

Tại cuộc thi Khoa học kỹ thuật dành cho học sinh trung học cấp quốc gia năm học 2017-2018 khu vực phía Nam (tổ chức tại Lâm Đồng vừa qua), dự án “Robot mô phỏng hóa hành động” của hai học sinh Diệp Gia Đăng và Phạm Trung Hiếu (lớp 12A1 chuyên toán Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng, TP.Cần Thơ) đã xuất sắc đoạt giải nhất.

Em Diệp Gia Đăng đang biểu diễn sản phẩm cho mọi người xem tại cuộc thi

Trao đổi với chúng tôi, người nghĩ ra đề tài – Diệp Gia Đăng – cho biết: “Em đọc báo và rất đau lòng trước thông tin về các bạn học sinh bị tai nạn do những phản ứng hóa học gây nguy hiểm trong phòng thí nghiệm. Chẳng hạn, trong lúc dọn dẹp dụng cụ thực hành, một số nam sinh lớp 12 Trường THPT Phan Đình Phùng (Hà Nội) đã gây ra vụ nổ khiến 3 bạn bị bỏng, trong đó 1 nữ sinh bỏng độ 3… Đó là lý do em hình thành ý tưởng nghiên cứu chế tạo robot mô phỏng hóa hành động, sử dụng công nghệ mô phỏng để làm thay những công việc của con người trong các tình huống nguy hiểm như pha chế hóa chất độc hại trong phòng thí nghiệm hoặc một số tình huống nguy hiểm khác trong cuộc sống”.

Đề tài hình thành từ năm 2016, trong hơn 1 năm, Đăng một mình nghiên cứu tài liệu và mày mò làm các thiết bị mô phỏng; tìm phương án giải cho được các ẩn số. Nghĩa là: Làm thế nào để robot có thể mô phỏng được hành động, cụ thể là đọc và làm theo các cử động của con người? Làm sao để loại bỏ các sự co giãn của cơ và da không cần thiết? Thiết kế các phần cánh tay ra sao? Làm thế nào để tạo mối quan hệ giữa các trục đường thẳng trong không gian?… Các thí nghiệm mô phỏng hóa, nhất là chế tác khung cảm biến mà Đăng làm, liên tục thất bại. Chưa hết, công việc nghiên cứu của nhà khoa học trẻ bị cha mẹ la rầy, không ủng hộ vì khiến em không dồn hết thời gian cho việc học, cha mẹ sợ em thi rớt ĐH; số tiền chi cho các thí nghiệm, chế tạo lên đến gần chục triệu đồng. Từ đó em quyết định bỏ cuộc. Nhưng cứ nhắm mắt là đề tài lại hiện về, thôi thúc. Rồi may mắn, khi đem nỗi lòng chia sẻ với thầy giáo dạy công nghệ là Trần Lương Thái, em được thầy khuyến khích, hỗ trợ và khuyên nên tìm bạn hợp tác. Và Đăng đã chọn bạn thân Phạm Trung Hiếu cùng tham gia dự án.

Qua bao nghiên cứu, suy luận, cuối cùng Đăng và Hiếu tìm ra ẩn số cho đề tài, đó là dựa vào nguyên lý giải toán hình học để tìm ra bất biến góc, là cơ sở dùng để khử vấn đề co giãn cơ của thiết bị. Đây là bước ngoặt lớn, tháo gỡ khó khăn của đề tài. Từ định lý toán học này, Đăng cùng Hiếu ứng dụng, thiết kế thành công khung cảm biến sử dụng cầu chữ V để khử co giãn. Tháng 12-2017, robot mô phỏng hóa hành động thành công. Các em đem sản phẩm trình bày tại trường, được nhà trường chọn tham dự Hội thi Sáng tạo khoa học kỹ thuật TP.Cần Thơ năm 2018 và đoạt giải nhất. Các em tiếp tục hoàn thiện sản phẩm để dự thi cấp quốc gia.

Hình thành trên cơ sở nguyên lý của các môn toán, tin học, vật lý và công nghệ, robot mô phỏng hóa hành động gồm khung cảm biến và khung cử động, phần xử lý trung tâm và phát, người dùng đeo sau lưng. Theo đó, khung cảm biến được xây dựng theo hệ quy chiếu trục dọc làm chuẩn. Tức là thao tác nâng tay lên theo chiều ngang sẽ không làm thay đổi hệ quy chiếu; nâng tay theo trục dọc sẽ làm hệ quy chiếu quay theo góc tương ứng. Còn khung cử động được cấu tạo gồm 2 servo, trong đó servo theo trục dọc sẽ được gắn cố định vào giá treo của máy (chuẩn quy chiếu), còn servo trục ngang sẽ quay theo trục dọc. Phần cẳng tay (2 cầu tự do) tính từ khuỷu tay đến cổ tay bao gồm phần chuyển động chính tính theo 2 trục x’ và y’ nằm trên khuỷu tay. Đối với phần xử lý trung tâm và phát, nguồn nuôi 12V được đưa qua mạch hạ áp LM2596 thành 9V, sau đó được các IC hạ áp của Arduino thành 5V.

Khi sử dụng, trước tiên gắn board phát vào khung ống PVC đã được làm sẵn. Các khớp và dây được thiết kế có thể tách rời nên có thể cất khi không sử dụng. Người sử dụng chỉ cần đeo khung lên vai, lắp các cảm biến lên tay và kết nối vào board phát. Các dây đeo làm bằng dây ràng pin có thể tháo lắp nhiều lần. Gắn động cơ và servo. Gắn các vi mạch và nạp chương trình. Nguyên lý vận hành của robot là: Tay người sử dụng chuyển động thế nào, khung cử động sẽ hoạt động giống vậy. Các cấu trúc khác chỉ có tác dụng trong việc tinh chỉnh để đảm bảo được độ chân thực trong quá trình mô phỏng.

Khó nhất của công nghệ mô phỏng hóa là robot phải đọc được cử động của cơ thể con người thông qua các cảm biến để chuyển các tín hiệu thu được thành tín hiệu điện và ra lệnh cho robot hoạt động theo. Nhưng cơ thể con người có tới 206 chiếc xương, riêng phần bàn tay đã có 27 chiếc cùng hàng trăm bó cơ lớn nhỏ khác nhau, tạo nên cấu trúc hệ vận động cực kỳ phức tạp, các phần cơ co giãn liên tục gây khó khăn trong việc gắn các cảm biến đọc góc cử động. Để đọc trực tiếp cử động thì nơi lý tưởng nhất để gắn các cảm biến là giữa các khớp xương, tức là cần phải mổ, tháo các khớp xương ra để lắp cảm biến và gắn khớp lại! Điều này thì không thể.

Ông Võ Minh Lợi (Phó Giám đốc Sở GD-ĐT TP.Cần Thơ) nhận xét: “Với nguyên lý vận hành cánh tay robot làm việc thay con người tại những nơi nguy hiểm mà vẫn đảm bảo độ chính xác và linh hoạt, thiết bị có thể gắn lên các hệ thống điều khiển từ xa như: tàu xe, trực thăng, máy bay phản lực…, tùy theo nhu cầu sử dụng. Ngoài ra, robot sẽ thay con người làm các công việc như rà phá bom mìn, hoạt động trong phòng thí nghiệm độc hại, vùng nhiễm phóng xạ. Thực hiện công việc tại các nơi tường dựng đứng, dễ sập đổ, nguy hiểm… Sản phẩm của các em đem đến lợi ích to lớn trong đời sống, trong khoa học kỹ thuật và bước đầu tiếp cận trí tuệ nhân tạo, tức là công nghệ 4.0”.

Bây giờ thì cha mẹ của Đăng rất tự hào vì sự kiên trì vượt khó của em, và ông bà cũng trút gánh nặng lo sợ con thi rớt ĐH, vì với giải thưởng trên, Đăng và Hiếu được tuyển thẳng vào Trường ĐH Bách khoa TP.HCM.

Đan Đan