MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Ở các nước phát triển hiện nay đã có những robot với đủ các kích thước, hình dạng được chế tạo nhằm những mục đích khác nhau. Chúng có thể thực hiện thay cho con người rất nhiều công việc cả trong công nghiệp lẫn đời sống hàng ngày. Hiện nay trong nước cũng như trên thế giới đã có nhiều đề tài nghiên cứu và chế tạo thành công xe robot. Tiềm năng của ngành công nghệ robot là vô hạn.
Ở trong nước hàng năm vẫn có những cuộc phát động các cuộc thi sáng tạo robot dành cho các sinh viên, kỹ sư. Nhưng các công nghệ mới còn ít được nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt là công nghệ xử lý ảnh đã được các nước phát triển ứng dụng rất nhiều cho robot. Đó là lí do tôi chọn đề tài nghiên cứu phần thuật toán và lập trình ứng dụng công nghệ xử lý ảnh cho xe robot di chuyển trong văn phòng với sự hướng dẫn của tiến sĩ Nguyễn Bá Hải.2 Tình hình nghiên cứu 1.1 Nước ngoài Ở các nước phát triển như Nhật, Mỹ, Pháp, Trung Quốc, v.v… đã có những robot phục vụ con người trong nhà, văn phòng làm việc, nhà hàng, siêu thị, v. Ví dụ: Robot phục vụ bàn tại cửa hàng mỳ ở Cáp Nhĩ Tân, Trung Quốc Hình 1.1: Robot phục vụ ở nhà hàng tại Trung Quốc Sau khi thực khách gọi món, robot trong nhà bếp sẽ bắt đầu chế biến món ăn và đến lúc món ăn hoàn tất, robot phục vụ di chuyển dọc theo các đường ray trên sàn nhà để đưa thức ăn từ bếp đến bàn ăn của thực khách.
Món ăn được đặt cố định trên băng chuyền và được đưa đến đúng “địa chỉ”. Trong lúc thưởng thức món ăn, mọi người sẽ được nghe robot hát để tạo không khí sôi động và làm vui lòng thực khách. Robot làm việc nhà thay người ở Nhật GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 1 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.2: SmartPal V đang hút bụi làm sạch sàn nhà Chú robot này có tên SmartPal V, trông chỉ như là "đứa trẻ" vì nó chỉ cao 1,325m, ngang 0,555m, dày 0,613m, nặng 127 kg, trong đó riêng ắc quy đã nặng 23 kg và có thời gian hoạt động 2 giờ 30 phút. Cánh tay của SmartPal V có thể nhấc một vật nặng 2 kg, có khớp hoạt động khá mềm mại.
Nó có thể thu dọn rác, sắp đặt đồ đạc, lau nhà. Các robot hữu ích trên đều dùng một số loại cảm biến âm thanh, ánh sáng,. và đặc biệt là camera. Vì vậy, trong phần lập trình của robot không thể thiếu công nghệ xử lý ảnh.
Điều đó cho thấy, sức mạnh to lớn của công nghệ xử lý ảnh trong ngành công nghệ chế tạo robot. Ở các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển, họ đã ứng dụng thành công công nghệ xử lý ảnh vào nhiều lĩnh vực như: công nghiệp tự động, y học, dân dụng, thám hiểm,… 1.2 Trong nước Hàng năm nước ta vẫn tổ chức các cuộc thi chế tạo robot, tiêu biểu là cuộc thi robocon dành cho sinh viên cả nước. Đã có những thành tựu nhất định cả trong nước và khu vực. Thành tích cao nhất của robocon Việt Nam tại đấu trường châu Á – Thái Bình Dương là hai lần lọt vào trận chung kết và giành giải nhì vào các năm 2010 và 2012.
Trong các cuộc thi Robocon hàng năm, các robot tự động dùng cảm biến dò line thi thoảng vẫn gặp trục trặc, chạy không đúng vạch mặc dù lúc chạy thử không có vấn đề gì. Tại robocon năm 2007, trường Học viện kỹ thuật quân sự đã mang đến một đội hình robot dùng công nghệ xử lý ảnh. Tuy kết quả chưa khả quan lắm nhưng cũng đủ làm mãn nhãn người xem. Đây được xem là sự kiện mở ra hướng nghiên cứu công nghệ mới - công nghệ xử lý ảnh trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam.
Đầu năm nay, các nhà khoa học thuộc khoa điện - điện tử trường đại học giao thông vận tải đã thiết kế chế tạo thành công hệ thống giám sát giao thông ứng dụng công nghệ xử lý ảnh. Hệ thống bao gồm camera giám sát, camera chụp hình, mạng truyền thông, phần mềm xử lý ảnh và cơ sở dữ liệu có thể tự động ghi nhận các tình huống phạm luật. Kết quả thử nghiệm ghi nhận trong điều kiện ánh sáng ban ngày và lưu lượng giao thông bình thường, hệ thống cho kết quả khá tốt. Về chức năng phát hiện xe chuyển làn trái phép, kết quả tính toán bằng máy so với quan sát bằng mắt thường cho thấy độ chính xác của phần mềm là 97%.
Kết quả phát hiện xe chạy quá tốc độ so với súng bắn tốc độ theo nguyên lý rađa, sai số của phần mềm là 5%. GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 2 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Mới nhất là sự kiện mRobo, DiscoRobo và SketRobo của công ty Robot Tosy gây ấn tượng mạnh tại triễn lãm robot ở Nhật.3: mRobo gây ấn tượng mạnh ở triễn lãm robot tại Nhật DiscoRobo và mRobo có thể nhún nhảy mềm mại theo một bản nhạc và biểu lộ cảm xúc trên khuôn mặt. SketRobo thì có thể vẽ những bức tranh với đường nét điêu luyện, chính xác. Hiện nay, FPT software đang sử dụng công nghệ xử lý ảnh 3D – một hình thức công nghệ mới được dùng để chẩn đoán hình ảnh kết hợp y học hạt nhân.
Công nghệ mới chẩn đoán hình ảnh kết hợp y học hạt nhân sẽ giúp các bác sĩ một công cụ khác để nhìn sâu vào bên trong cơ thể và chẩn đoán ra bệnh. Việc sử dụng công nghệ mới này sẽ có tác dụng rất lớn không chỉ đối với người bệnh mà với cả xã hội. Công nghệ mới này được ứng dụng thành công trên thiết bị CT sẽ tạo ra khả năng quét nhanh hơn cả tốc độ nhịp tim và thu nhận hình ảnh tim vừa chi tiết vừa đầy đủ, đồng giảm 50% liều tia cho bệnh nhân so với các thiết bị chụp cắt lớp CT truyền thống.3 Điểm mới của đề tài Điểm mới của đề tài này là ứng dụng công nghệ xử lý ảnh với LabVIEW. Đây là lĩnh vực còn khá mới mẻ ở Việt Nam, chưa được nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế nhiều, nhất là trong các trường đại học ở nước ta.
GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 3 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược về robot 2.1 Lịch sử robot Dưới đây là một vài mốc quan trọng trong lịch sử ra đời của robot: - Người Babilon phát minh ra chiếc đồng hồ đo thời gian sử dụng dòng chảy của nước. Đây được coi là cỗ máy “robot” đầu tiên trên thế giới. - Năm 1495, lần đầu tiên robot có hình dạng giống con người được tạo ra bởi Leona da vince. - Năm 1956, Engelberger - cha đẻ của robot học cho ra đời robot công nghiệp đầu tiên mang tên Unimate.
- Năm 1970, phòng thí nghiệm Stanford cho ra đời chiếc xe robot có thể tự đi theo các vạch đen trắng. Đây là cột mốc đánh dấu thành tựu mới cho xe tự định vị. - Những thập kỷ về sau, ngành công nghiệp chế tạo robot phát triển vượt bậc với những công nghệ tiến tiến cả về cơ khí, mạch điện và phần mềm.1: Lịch sử phát triển robot Asimo của Nhật Bản 2.2 Phân loại robot Theo tính năng: - Mobile robot: là các robot có nhiệm vụ chủ yếu là di chuyển, định vị, tìm đường đi tối ưu, và vẽ lại bản đồ. - Manipulator (tay máy): là các robot hoạt động như cánh tay con người, chúng có thể cầm nắm, sắp xếp, di chuyển và tương tác với các đồ vật.
- Robot haptics: là các robot được điều khiển từ xa và ứng dụng công nghệ haptic. Theo mục đích sử dụng: GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 4 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM - Robot phục vụ: phục vụ con người trong đời sống hàng ngày như dọn dẹp, trông nhà, chơi đùa với trẻ,… hay các robot phục vụ trong lĩnh vực y tế như: robot phẫu thuật, robot chăm sóc bệnh nhân. - Robot công nghiệp: là các robot có thể làm một công đoạn sản xuất, lắp ráp nào đó thay cho con người nhằm hạn chế nguy hiểm và nâng cao độ chính xác cũng như hiệu suất trong công nghiệp. Ví dụ: robot dò mìn, robot thám hiểm ngoài vũ trụ, v.v… Ngoài ra còn có nhiều tiêu chí phân loại robot khác nhau tùy theo thế hệ, mức độ thông minh, kết cấu, hình dạng, hoặc cảm biến được sử dụng trên robot.3 Tổng quan về robot phục vụ Robot phục vụ thường có đặc điểm sau: - Kích thước nhỏ gọn, thẩm mỹ cao.
- Có khả năng di chuyển linh hoạt. - Hoạt động chủ yếu trong nhà, văn phòng, nhà hàng. - Sử dụng các cơ cấu chấp hành như động cơ DC, van từ,… - Sử dụng các cảm biến như: camera, nhiệt độ, biến trở, encoder, lực, ánh sáng,… Robot phục vụ thường được sử dụng vào các mục đích như: giám sát, trông nhà, làm việc nhà, trông trẻ, giải trí,… Một số cấu trúc cơ học robot: - Robot bánh xe: là loại robot có chân làm bằng các bánh xe, các bánh xe được nối trực tiếp với trục động cơ hoặc thông qua một cơ cấu truyền lực như bánh răng, dây đai. Thông thường, robot bánh xe hoạt động trong các khu vực phẳng, ít ghồ ghề.2: robot bánh xe GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 5 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM - Robot bánh xích: là loại robot có chân bằng bánh xích giống như bánh xe tăng, khi robot di chuyển nhìn giống như robot đang bò trên mặt đất.
Điều này giúp cho robot bánh xích có khả năng di chuyển tốt hơn robot bánh xe ở địa hình ghồ ghề.3: robot bánh xích - Robot có chân (giống người): là loại robot có chân giống như người giúp cho robot có khả năng di chuyển ở những địa hình ghồ ghề phức tạp mà robot bánh xe và bánh xích không di chuyển được. Tuy nhiên, robot dùng chân giống người sẽ gặp hạn chế trong việc giữ thăng bằng và di chuyển chậm hơn so với bánh xe và bánh xích.4: Robot có chân giống người 2.2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu GVHD: TS Nguyễn Bá Hải Page 6 Luan van Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Nghiên cứu lập trình xử lý ảnh với LabVIEW để ứng dụng vào xe robot giúp cho robot có thể tự di chuyển, tránh né các đồ vật trong văn phòng. Từ đó chế tạo mô hình xe robot hoàn thiện.2 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu về ngôn ngữ lập trình LabVIEW.