Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE ROBOT 1. Lich ̣ sử ra đời và phát triể n của Mobile robot Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921ở Tiệp Khắc trong tác phẩm R.R (Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek mang ý nghĩa người làm tạp dịch, kể từ đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi cho đế n ngày nay. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công trình Robot bắt đầu phát triể n đă ̣c biê ̣t nhằm phục vụ trong các phòng thí nghiệm. Trong những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí, đã xuất hiện các cánh tay thủy lực và điện từ.
Cũng trong thời gian này, George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyển có khớp nối được lập trình (Programmed Artculated Transfer Device). Đây là một cánh tay máy mà hoạt động của nó có thể được lập trình thực hiện một chuỗi các bước chuyển động được xác định trong các câu lệnh trong chương trình điề u khiể n. Phát triển xa hơn ý tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho các Robot công nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation (My)̃ , thiết bị này sử dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm huấ n luyê ̣n cho nó thực hiện các công việc khác nhau một cách tự động. Khi robot đươ ̣c lập trình đã tạo ra sức mạnh trong sản xuất, vào năm 1960 như một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống Robot được nâng cao đáng kể thông qua hệ thống phản hồi từ các sensor.Ernst đã công bố sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển bằng máy tính sử dụng các sensor.
Đây là sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích ứng với môi trường. Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng bạn đồng nghiệp đã công bố sự phát triển của máy tính cùng với Camera vô tuyến và Microphone. Năm 1968 Pieper đã nghiên cứu những vấn đề động học trong điều khiển Robot bằng máy tính, trong khi đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động học và giới hạn điều khiển về tay máy. Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại vi để tăng sự tiện lợi và linh hoạt cho 2 Robot.
Vào thời gian này công ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại Robot có các sensor xúc giác và sensor lực trong các cu ̣m chi tiế t máy. Một trong những lĩnh vực được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là Robot tự hành, Robot di động. Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các robot tự hành bắt chước chân người hoặc súc vật. Trong những thập kỷ 80- 90 do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng Robot đã gia tăng đáng kể , giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng của Robot có nhiều bước tiến vượt bậc nhằ m tăng tiń h ca ̣nh tranh cho Robot.
Các thế hệ của Mobile robot Kể từ khi khái niệm mobile robot ra đời, công việc thiết kế và chế tạo robot đã trải qua nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ và chiề u hướng phát triể n khác nhau. Có 5 thế hệ Mobile robot ra đời kể từ năm 1960: 1. Thế hệ thứ nhất Bao gồm các loại Robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi. Chương trình điều khiển có hai dạng: Chương trình “cứng”, nghĩa là không thay đổi hoặc không sửa được trừ khi thay đổi phần cứng.
Chương trình có thể thay đổi được thông qua các panel điều khiển hoặc thông qua máy tính. Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển servo vòng hở (Open- Loop Nonservo Controlled System). Đây là hệ thống không sử dụng thông tin phản hồi từ môi trường về để điều khiển robot. Thế hệ thứ hai Robot được trang bị các sensor cho phép Robot giao tiếp với môi trường bên ngoài.
Các thiết bị này thực chất là các bộ biến đổi năng lượng. Nó chuyển các đại lượng không điện thành đại lượng điện mà qua đó bộ điều khiển Robot có thể biết được trạng thái của môi trường xung quanh nó. Nhờ các sensor này robot có thể chọn các phương án khác nhau một cách linh hoạt nhằm thích nghi với môi trường 3 bên ngoài. Dạng robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là robot điều khiển thích nghi cấp thấp.
Đây gọi là cơ cấu điều khiển servo vòng kín (Closed- Loop Servo Controller System). Thế hệ thứ ba Các bộ điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được sử dụng trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt. Thế hệ thứ tư Khác với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng, thế hệ robot này sử dụng các máy tính được trang bị các ngôn ngữ lập trình đặc biệt hoặc ngôn ngữ chuẩn như Basic, C, C++., để tạo ra nhiều ứng dụng CAD/CAM và CIM hoặc chương trình không trực tuyến. Thế hệ thứ năm Các bộ điều khiển của robot sử dụng trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence).
Robot được trang bị các kỹ thuật như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc (da nhân tạo) để xử lý, ra những quyết định hợp lý. Ngoài ra robot được trang bị mạng nơron giúp nó có khả năng tự học, tự xây dựng kiến thức. Ứng du ̣ng của Mobile robot trong cuô ̣c số ng 1. Trong y học Các ứng dụng trong chẩn đoán y khoa dựa vào các thiết bị phần cứng đa dạng như máy chụp cắt lớp (CT- Computed Tomography), máy chụp cộng hưởng từ (MRI- Magnetic Resonance Imaging), máy siêu âm, chụp X- quang.
Ảnh chụp từ các thiết bị trên sẽ được điều chỉnh để giúp bác sỹ xem xét dễ dàng hơn, tổng hợp. Ngoài ra, từ tập hợp ảnh (chụp cắt lớp, chụp bởi camera tí hon) mô hình 3D được xây dựng và sử dụng hiệu quả trong chẩn đoán cũng như điều trị. Điển hình như hệ thống chụp cắt lớp tối tân Brilliance ICT Scanner do công ty thiết bị y khoa Philips phát triển năm 2007 (hình 1.1) có khả năng tạo mô hình ảnh ba chiều toàn bộ cấu trúc cơ thể bệnh nhân, xương khớp, cơ quan nội tạng và cả đến từng mạch máu.1: Ảnh 3D từ hệ thống Brilliance ICT Scanner (nguồn: internet) 1. Trong công nghiệp Trong thời đại công nghiệp hiện nay, Robot ngày càng được sử dụng phổ biến trong sản suất cũng như trong cuộc sống.
Robot đã có một vị trí quan trọng không thể thay thế được, nó giúp con người làm việc trong những điều kiện nguy hiểm khó khăn và ứng dụng dùng để xác định vị trí của chi tiết so với vị trí gốc, hoă ̣c giúp cho cánh tay Robot vươn tới đúng mục tiêu… Hình 1.2: Hình ảnh về cánh tay Robot (nguồn: internet) Trong các dây chuyền sản xuất, công nghệ cảm quan máy tính được ứng dụng thay thế phương pháp thủ công hoặc cơ học nhằm tăng hiệu suất và chính xác.3: Camera kiểm định chất lượng sản phẩm.uk) 5 Phổ biến nhất là đo lường và kiểm định chất lượng sản phẩm: màu sắc và độ phủ đều khi sơn vỏ xe hơi, độ cân đối và hình dáng bánh răng (hình 1.4), chất lượng in nhãn mác… Hình 1.4: Camera kiểm tra số hiệu in trên sản phẩm (nguồn: Omron Electronics). Trong hệ thống an ninh (camera thông minh, nhận dạng) CV có thể được tích hợp vào hệ thống camera theo dõi truyền thống, đảm nhận vai trò theo dõi và cảnh báo, giúp giám sát viên không phải trực tiếp quan sát 24/24: phát hiện chuyển động và cảnh báo xâm phạm, phát hiện các tình huống bất thường dựa trên nhận dạng cử động như ẩu đả, cướp ngân hàng, nguy cơ chết đuối. Một ứng dụng khác của CV trong lĩnh vực an ninh là nhận dạng khuôn mặt đã phổ biến trên một số dòng máy tính xách tay.5: Theo dõi khách bộ hành (nguồn:IEEE CV and P. Trong giao thông (giám sát và điề u khiể n lưu thông) Ứng dụng phổ biến hiện nay là giám sát lưu thông: Cảnh báo sớm tình trạng ùn tắc, ghi nhận các trường hợp phóng nhanh lạng lách, chụp và truy xuất số xe vi phạm để xử lí.
6 Một ứng dụng khác đang được nghiên cứu phát triển là điều khiển xe tự hành. Hệ thống camera ghi nhận hình ảnh xung quanh khi xe di chuyển, bằng cảm quan máy tính, định vị làn đường, phát hiện các vật cản và xe khác, nhận biết các bảng chỉ dẫn, điều khiển lưu lươ ̣ng giao thông.6: Camera điều khiển xe tự hành SCABOR (nguồn: T.U of Cluj Napoca). Trong thám hiểm không gian Trong lĩnh vực không gian, CV có vai trò quan trọng trong việc vận hành các robot thám hiểm. Trước hết là xây dựng mô hình 3D của bề mặt hành tinh để hoạch định đường đi an toàn nhất.
Trong quá trình di chuyển, robot ước lượng chuyển động của mình dựa trên sự phân tích chuyển động của cảnh quan. Khi đã tiếp cận mục tiêu cần khảo sát, Robot điều khiển cánh tay cơ học qua quan sát từ camera thực hiện các thao tác đào bới, lấy mẫu đất đá, chụp ảnh chi tiết. CV cũng được phát triển cho các robot gia đình, giúp Robot có thể xây dựng mô hình và định vị mình (SLAM- Simultaneous Localization and Mapping), giao tiếp với con người qua nhận dạng cử động.7: Ứng dụng cảm quan máy tính trên robot thám hiểm (nguồn: internet) 7 1. Trong quân sự Hình 1.8: Robot tự hành trên sao hỏa (nguồn: internet) Một ứng dụng mới trong quân sự là dùng trong các máy bay không người lái hoặc các xe tự hành.
Lúc này Mobile robot dùng để nhận biết các chướng ngại vật trong môi trường hay cũng có thể dùng để nhận biết những đối tượng cần giám sát như cháy rừng. Ngoài ra Robot còn dùng trong lĩnh vực thám hiểm không gian, quân sự, giải tri,́ việc giám sát địch và cả trong việc chiến đấ u. Việc ứng dụng Robot sẽ giảm bớt thương vong, nâng cao hiệu quả trong phòng vệ và chiến đấ u.9: Máy bay không người lái (nguồn: internet) 1. Những xu hướng phát triển của Robot hiện đại Theo dự báo trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một Robot cá nhân như cần một máy tính PC hiện nay và Robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng công nghệ lớn sau Internet.
Với xu thế này, cùng với các ứng dụng truyền thống khác của Robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt trong an ninh quốc phòng thì thị trường Robot và các dịch vụ ăn theo Robot sẽ vô cùng lớn. 8 Robot tổng hợp trong nó cả khoa học và công nghệ.