Đặt vấn đề Hiện nay, hệ thống robot ngày càng phát triển và đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống hiện đại của chúng ta. Ngành công nghiệp robot bao gồm các công nghệ phức tạp, tiên tiến từ cảm biến, máy móc, điện tử, điều khiển tự động và các lĩnh vực khác. Đây là ngành công nghệ cao, có tư duy tiến bộ ảnh hưởng tới sự phát triển trong tương lai của nhân loại. Cánh tay robot được ứng dụng trong nhiều dây chuyền sản xuất tự động, từ ngành công nghiệp nặng như sản xuất ô tô cho đến phân loại sản phẩm tiêu dùng.
Đây được coi là công cụ lao động của tương lai, lực lượng lao động chính trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Robot hỗ trợ con người rất nhiều trong sản xuất đặc biệt là trong điều kiện môi trường khắc nghiệt hoặc nhiều chất độc hại, nguy hiểm. Hiện tại có nhiều loại robot mới xuất hiện trên thế giới, đánh dấu bước đột phá trong phát triển lĩnh vực này giúp các doanh nghiệp tăng doanh thu bằng cách giảm lực lượng lao động, giảm chi phí sản xuất và cải thiện năng suất. Với sự phát triển chóng mặt của khoa học máy tính và trí tuệ nhân tạo, các hệ thống robot ngày càng trở nên thông minh hơn nhờ tích hợp các công nghệ tiên tiến: internet vạn vật (Internet of Things), thị giác máy tính (Computer Vision), nền tảng đám mây (Cloud), dữ liệu lớn (Big Data),.
từ đó các hệ thống robot có thể thực hiện các tác vụ phức tạp như nhận biết cảm xúc con người, chẩn đoán y tế, truyền động thông minh,. Một số tập đoàn lớn trong ngành công nghiệp robot có thể kể đến như: ABB (Thụy Sĩ), Yaskawa (Nhật Bản), FANUC (Nhật Bản), …. Việt Nam đang trong quá trình hiện đại hóa và hội nhập quốc tế rất mạnh mẽ nên cần nguồn nhân lực lớn cho các ngành công nghiệp tiên tiến đặc biệt là ngành công nghiệp robot. Tuy nhiên ở nước ta việc đào tạo ra nhân lực cũng như thực hiện các nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn còn nhiều hạn chế.
Lượng robot được sản xuất ở nước ta đa phần là sử dụng công nghệ kiểu cũ của thế giới. Do đó, xu hướng giáo dục ở các trường đại học hiện nay là đẩy mạnh các nghiên cứu về các công nghệ tiên tiến hơn trong lĩnh vực robot, tiếp cận với nền công nghiệp của các nước phát triển mạnh trong ngành này. TỔNG QUAN Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp robot, thị giác máy tính cũng là một lĩnh vực được xem là xu hướng của tương lai. Thị giác máy tính được ví như đôi mắt của robot, giúp chúng hoạt động dễ dàng và linh hoạt hơn, giúp xử lý được các tác vụ phức tạp, nâng cao hiệu suất hoạt động, giảm thiểu nguy hiểm và rủi ro cho con người.
Một số ứng dụng tiêu biểu của thị giác máy tính có thể kể đến như: kiểm soát giao thông, chẩn đoán bệnh từ hình ảnh MRI, xử lý ảnh từ vệ tinh, hệ thống cảnh báo va chạm trên xe hơi,. Khi kết hợp thị giác máy tính và robot ta sẽ được các hệ thống có khả năng nhận dạng và phân loại các vật thể khác nhau dựa vào màu sắc, hình dạng, kích thước,.Bằng cách sử dụng hình ảnh từ camera, tiến hành phân tích và xử lý để có thể trích xuất ra các thông tin hữu ích cho robot, giúp chúng thực hiện nhiệm vụ cụ thể. Từ đó ta thấy được việc lập trình điều khiển, tính toán, xử lý hình ảnh và thực hiện giao tiếp giữa máy tính và robot là vô cùng cần thiết và quan trọng. Thông qua những khảo sát và những nhu cầu thực tế về các hệ thống phân loại sản phẩm bằng robot.
Cùng với việc vận dụng những kiến thức đã được trạng bị và sự tìm tòi nghiên cứu, nhóm đã quyết định sẽ thực hiện nghiên cứu, thiết kế và thi công một hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot đồng thời kết hợp với ứng dụng của công nghệ xử lý ảnh để xây dựng nên một mô hình với tên gọi là “Điều khiển cánh tay robot phân loại sản phẩm ứng dụng thị giác máy tính”. Mục tiêu đề tài Để hiểu sâu hơn về việc kết hợp việc điều khiển robot và kỹ thuật xử lý ảnh trong thị giác máy tính, nhóm đã xây dựng một mô hình hệ thống bao gồm cánh tay robot sử dụng camera để nhận dạng và phân loại các vật chuyển động trên băng tải. Một số yêu cầu của đề tài: - Hệ thống thị giác máy tính có vai trò thu nhận hình ảnh trực tiếp từ camera, nhận dạng và theo dõi chuyển động của vật trên băng tải. Trích xuất thông tin đặc trưng của vật cụ thể trong đề tài là màu sắc, mã QR, sau đó gửi cho robot tiến hành gắp và phân loại.
- Điều khiển cánh tay robot có thể dựa vào những thông tin nhận được gắp chính xác được vật, và phân loại nó theo thông tin nhận được từ máy tính. - Xây dựng giao diện điều khiển giúp cho người dùng quản lý hệ thống dễ dàng và trực quan. Giới hạn đề tài - Robot không thể hút vật khi băng tải chạy với tốc độ cao, đồng thời khi băng tải ở tốc độ cao thì không đủ thời gian xử lý để truy xuất thông tin sản phẩm. - Khi các sản phẩm để quá gần nhau thì robot chỉ hút được vật đến trước, còn vật phía sau thì không thể phân loại được.
- Chỉ có thể phân loại sản phẩm ổn định và chính xác khi điều kiện ánh sáng được đảm bảo. Chất lượng camera còn chưa tốt nên khi có sự thay đổi đáng kể về độ sáng của môi trường việc xác định vị trí của vật bị nhiễu dẫn đến robot gắp sai vị trí. Nội dung nghiên cứu Hệ thống robot sử dụng thị giác máy tính mà nhóm xây dựng được chia làm ba phần chính: - Hệ thống robot: + Lập trình trên Arduino điều khiển các khớp của cánh tay của robot, giải quyết bài toán động học thuận và ngược. + Xây dựng giải thuật gắp và phân loại vật.
- Hệ thống thị giác máy tính: + Lập trình xử lý các khung ảnh nhận được từ camera, xác định vị trí và thông tin vật thể cần thiết để phân loại. + Từ các thông tin nhận được, thực hiện chuyển đổi thông tin hệ tọa độ đã chọn trong camera sang hệ tọa độ robot. - Hệ thống giao tiếp giữa robot và thị giác máy tính: + Tính toán, xử lý các thông tin nhận được từ hệ thống này sang hệ thống còn lại, để có thể tiến hành gắp và phân loại vật. + Lập trình giao diện, có thể nhận thông tin từ cả hai hệ thống để người dùng dễ quan sát và vận hành.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. Sơ lược về hệ thống robot 2. Khái niệm cánh tay robot Cánh tay robot là những cỗ máy được dùng trong quá trình sản xuất công nghiệp, chúng có thể hoạt động một cách tự động hoặc được vận hành bởi con người.Cánh tay robot được thiết kế linh hoạt theo nhu cầu sử dụng với tốc độ và độ chính xác cao, có thể linh hoạt như cánh tay của con người. Robot có thể thay thế con người trong các công việc lắp ráp các linh kiện nhỏ yêu cầu độ chính xác cao hoặc hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt, độc hại.
Với nhiều ưu điểm vượt trội nên ngày càng nhiều chủng loại robot được tạo ra và được ứng dụng trong đa ngành đa lĩnh vực. Cánh tay robot hoạt động dựa trên cơ chế các liên kết từ phần mềm điều khiển đến phần cứng là các khớp của robot kết hợp hợp với nhau để tạo nên chuyển động của chúng. Bộ điều khiển trung tâm truyền các lệnh đến các khâu, các khâu này sẽ chuyển động dựa trên bài toán động học đã được tính toán để tạo thành một chuỗi hành động của robot. Hệ trục tọa độ 1.
Hệ tọa độ cơ bản (The base coordinate system): được đặt tại vị trí gốc của robot. Hệ tọa độ cơ bản có điểm Zero tại gốc của robot, làm cho các chuyển động có thể dự đoán được đối với robot cố định. Do đó rất hữu ích cho việc di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. Quy tắc bàn tay phải (dùng để xác định phương, chiều của các trục x, y, z).
Dùng bàn tay phải nắm 2 ngón út và áp út lại, còn 3 ngón : ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa xòe ra sao cho vuông góc từng cặp với nhau. Khi đó ngón cái chỉ phương và chiều của trục Z thì ngón trỏ chỉ phương, chiều trục X, ngón giữa chỉ phương chiều trục Y. 1: Bàn tay phải xác định phương triều các trục 4 CHƯƠNG 2. Hệ tọa độ đối tượng công việc (word object coordinate system): với các mục tiêu và đường dẫn khi lập trình cho robot mang lại rất nhiều lợi thế.
Khi định vị lại phần công việc của robot trong dãy băng chuyền, ta chỉ cần thay đổi vị trí của hệ tọa độ đối tượng công việc và khi đó tất cả các đường dẫn sẽ được cập nhật cùng một lục. Cho phép làm việc trên các phần công việc được di chuyển bởi các trục bên ngoài hoặc các băng chuyền, vì toàn bộ công việc đối tượng với các đường dẫn của nó có thể được di chuyển. Hệ tọa độ công cụ (The tool coordinate system): Xác định vị trí của công cụ mà robot sử dụng khi thực hiện các mục tiêu được lập trình. Hệ tọa độ công cụ có vị trí gốc O ở điểm giữa của công cụ.
Nó xác định vị trí và hướng của dụng cụ. Hệ tọa độ thế giới (The world coordinate system): Dùng để xác định robot cell, tất cả các hệ tọa độ khác đều có sự liên quan đến hệ toạ độ World theo cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Đây là hệ tọa độ rất hữu ích cho việc xử lý một số robot hoặc khi robot di chuyển bởi theo các trục bên ngoài. Hệ tọa độ người dùng (The user coordinate system): Hệ tọa độ người dùng có thể được sử dụng để đại diện cho các thiết bị cố định như sàn làm việc.
Điều này hữu ích cho việc robot cầm nắm di chuyển hàng hóa. 2: Các hệ trục tọa độ 2. Bài toán động học thuận Trong đại đa số các trường hợp, tay máy được cấu tạo bởi các khâu (Links), được nối với nhau nhờ các khớp (Joint). Một đầu của chuỗi nối với giá (Bowse), 5 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT còn đầu kia nối với phần công tác. Mỗi khâu hình thành cùng với khớp phía trước nó một cặp khâu – khớp. Tuỳ theo kết cấu của robot mà mỗi loại khớp đảm bảo cho khâu nối sau nó các khả năng chuyển động nhất định.