CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG TAY MÁY ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH 1.1 Các vấn đề đặt ra Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, điều khiển mô hình tay máy ứng dụng thuật toán xử lý ảnh” đặt ra các yêu cầu: - Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí cánh tay Robot và khung điều khiển, đảm bảo hệ thống hoạt động chắc chắn, chạy êm, cơ cấu di chuyển tới vị trí mong muốn. - Điều khiển cánh tay Robot chuyển động theo yêu cầu đặt ra. Cánh tay robot có khả năng chuyển động theo các chuyển động đáp ứng yêu cầu bài toán thông qua thiết bị điều khiển sử dụng xử lý ảnh. - Giải quyết bài toán động học và động lực học làm cơ sở để điều khiển robot.
- Sử dụng phần mềm để tính toán, mô phỏng robot. - Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot: mạch điều khiển, mạch công suất.2 Tổng quan đề tài Cánh tay có thể là tất thể bộ phận hoặc một phần của một robot phức tạp hơn. Các liên kết của một bộ điều khiển được nối với nhau bằng các khớp nối cho phép chuyển động quay (như trong một robot có khớp nối) hoặc chuyển dịch (tuyến tinh). Các liên kết được con người thao túng tạo thành một chuỗi động học.
Điểm cuối của chuỗi động học của bộ điều khiển được gọi là điểm đích. Cấu tạo cánh tay robot được thiết kế để thực hiện bất kỳ nhiệm vụ mong muốn nào như: sơn, hàn, gắp, … tùy thuộc vào ứng dụng. Xử lý ảnh là một phân ngành trong xử lý số tín hiệu với tín hiệu xử lý là ảnh. Đây là một phân ngành khoa học mới rất phát triển trong những năm gần đây.
Xử lý ảnh gồm 4 lĩnh vực chính: xử lý nâng cao chất lượng ảnh, nhận dạng ảnh, nén ảnh và truy vấn ảnh. Sự phát triển của xử lý ảnh đem lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sống của con người. 9 Ứng dụng xử lý ảnh vào điều khiển canh tay robot là xu hướng phát triển của công nghệ hiện tại. 1 Cánh tay robot ứng dụng xử lý ảnh 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Robot sử dụng trong công nghiệp đòi hỏi tính linh hoạt, hoạt động nhanh, tinh vi và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người hoạt động trong môi trường nguy hiểm, độc hại.
Cánh tay robot điều khiển bằng thuật toán xử lý ảnh là một robot linh hoạt, chính xác, có tính ứng dụng trong các dây chuyền công nghiệp, có thể được phát triển để ứng dụng vào việc lắp ráp các sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Ở Việt Nam nói chung công nghệ chế tạo tay máy còn chậm phát triển, chúng ta vẩn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy đạt tiêu chuẩn quốc tế. Tận dụng những vật liệu có sẳn để gia công các chi tiết cơ khí cũng như linh kiện , thiết bị điện có sẳn do nước ngoài sản suất để thiết kế thành những sản phẩm cụ thể trước hết là ứng dụng làm phương tiện giảng dạy trong trường học và từ đó phát triển cao hơn để ứng dụng vào trong sản suất đã và đang là hướng đi đúng đắng của các kỹ sư ở Việt Nam. Đề tài : “NGHIÊN 10 CỨU, THIẾT KẾ, ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH TAY MÁY ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH” không nằm ngoài nhận định trên.
Điều quan trọng hơn hết là các vấn đề liên quan đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tay máy và phần lý thuyết về các hoạt động xảy ra bên trong vi xử lí sẽ được giới thiệu trong đề tài này. Nó sẽ là nguồn thông tin hửu ích cho những ai muốn tìm hiểu về lĩnh vực này.4 Mục tiêu đề tài Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, điều khiển mô hình tay máy ứng dụng thuật toán xử lý ảnh” đặt ra các yêu cầu: - Camera xử lý ảnh cần xác định chính xác vị trí của vật thể và trả về giá trị ở dạng số hóa để làm đầu vào cho việc điều khiển tay máy. - Tay máy hoạt động chính xác, ổn định, trơn chu. - Bộ điều khiển có khả năng xử lý thông tin nhanh, chinh xác 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đây là một đề tài rộng và có nhiều ứng dụng trong thực tế, trên thị trường có rất nhiều sản phẩm hoàn thiện về cả chất lượng và thẩm mỹ.
Tuy nhiên với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài, đồ án nhóm em có những tính năng sau: - Kết cấu cơ khí: + Robot 3 bậc tự do (RRR) + Robot có không gian làm việc: (x,y,z) + Phần chuyển động của cánh tay chọn động cơ step motor vì động cơ hoạt động với hiệu suất ổn định, chịu được tải lớn và độ chính xác cao. Cùng với đó, phần tay gắp sử dụng động cơ servo RC, nhỏ, nhẹ, làm việc chinh xác, linh hoạt - Phần điều khiển: + Bộ điều khiển trung tâm sử dụng board Arduino + Thuật toán xử lý ảnh.6 Phương pháp nghiên cứu Trong một hệ thống cơ điện tử, phương pháp thiết kế có ý nghĩa rất quan trọng, mang tính tổng quát, tiên phong. Để hoàn thành đề tài, nhiều kiến thức chuyên ngành cơ điện tử và kiến thức liên ngành đã được áp dụng trong các hệ thống cơ khí, điện tử, công nghệ thông tin, điều khiển hệ thống. 11 Đồ án sử dụng các phương pháp: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các mô hình, hệ thống thực tế, thiết bị có sẵn trên thực tế để lựa chọn phương pháp phù hợp.
- Sử dụng các công cụ thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng trên máy tính để đánh giá mô hình thiết kế, và đồng thời loại trừ các sai sót trước khi chế tạo. - Để đảm bảo robot có khả năng đưa tay gắp dược tới mọi vị trí trong không gian làm việc thì robot cần từ ba bậc tự do trở lên. - Để tiếp cận bề mặt chi tiết theo hướng cụ thể thì cần thêm ít nhất hai bậc tự do, nếu chi tiết tay gắp có thể chuyển động theo các phương chuyển động quay thì robot chỉ cần bốn bậc tự do. - Dựa trên những tài liệu có sẵn về cử chỉ thực tế của con người nhóm đã đề ra một phương án phù hợp.
Mô hình cánh tay robot có cấu tạo và cách thức hoạt động tương tự như tay người. - Cánh tay robot này nó đáp ứng được rất nhiều cho các môi trường, cũng như nhiều công việc khác nhau nhờ có sự nhận biết của camera. 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TAY MÁY ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH 2. Kết cấu hệ thống cơ khí tay máy 2.
Tổng quan về tay máy 3 bậc tự do Với những nhu cầu của thị trường hiện nay, tay máy robot 3 bậc tự do hiện đang được sử dụng rộng rãi với sự hỗ trợ và phát triển của nhiều công ty trên thế giới. Cũng chinh vì lý do đó, nhu cầu tìm hiểu, học hỏi, nghiên cứu về thiết bị này đang rất được chú trọng. Tuy nhiên mọi thiết bị, hệ thống, … đều có những ưu nhược điểm riêng. Ưu điểm: - Tính ứng dụng cao: do phạm vi hoạt động rộng, dễ dàng tinh toan cũng như lập trinh, tay máy 3 bậc tự do được ứng dụng vào rất nhiều linh vực khác nhau như y tế, giao dục, hỗ trợ nghiên cứu khoa học và đặc biệt là các ngành công nghiệp chế tạo tự động hóa.
- Hiệu năng đảm bảo: tay máy robot 3 bậc tự do có thể làm được rất nhiều công việc khác nhau với độ chinh xác cao trong thời gian rất ngắn mà từ đó làm tăng lượng sản phẩm được tạo ra và giảm giá thanh thuê nhân công, bảo dưỡng, bảo trì, … giúp năng suất lao động được nâng cao. Đó cũng là ưu điểm lớn nhất của tay máy robot 3 bậc tự do. - Độ chính xác cao: do được lập trình và kiểm nghiệm trước khi đưa vào hoạt động nên độ chính xác trong quá trinh hoạt động của tay máy là rất đáng tin cậy. Nếu được bảo trì định kì thường xuyên, vòng đời của một tay máy có thể rất dài mà không hề gây ra một chút sai sót nào trong quá trinh vận hành.
Từ đó giảm giá thanh đầu tư ban đầu của thiết bị đi rất nhiều. - Không gây hại cho con người: ngày nay trải qua quá trình hình thành và phát triển rất dài, tay máy 3 bậc tự do dần đáp ứng rất tốt những yêu cầu nghiêm ngặt về yếu tố an toan của các hệ thống được sử dụng trong công nghiệp như khả năng phát hiện sớm chướng ngại vật và dừng tay máy, cảnh báo trước về các thiếu sót của các cảm biến an toàn, … Chính vì 13 những lý do đó, chúng ta có thể tin tưởng tuyệt đối vào yếu tố an toàn khi sử dụng tay máy trong hệ thống sản xuất, nghiên cứu và phát triển của mình. 1 Tay máy của hãng MITSUBISHI Nhược điểm - Chi phí đầu tư ban đầu cao: chinh vì những ưu điểm và tinh năng an toan như trên nên chi phí đầu tư ban đầu của tay máy là rất cao. Tuy nhiên chúng ta có thể loại bỏ một số tinh năng cũng như đảm bảo an toan để hạ giá thanh đầu tư ban đầu tuy nhiên việc này là không được khuyến khích.
- Đòi hỏi chuyên môn: là một sản phẩm công nghệ cao nên việc đòi hỏi chuyên môn trong việc vận hành, lập trinh, bảo dưỡng là điều cần thiết. Tuy nhiên với chất lượng đào tạo cũng như trinh độ chuyên môn của nhân công ngày càng nâng cao thì đây không thực sự là vấn đề lớn. - Chưa thực sự phát triển ở Việt Nam: về cơ bản, nhà phân phối trực tiếp các sản phẩm tay máy ở Việt Nam chưa nhiều, chủ yếu là nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoai. Tuy nhiên với xu hướng phát triển của nước ta hiện nay, yếu tố này sẽ sớm được khắc phục.
Bài toán động học thuận Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H : - Trục 𝑧𝑖 trùng hướng với hướng của trục 𝑧𝑖 + 1. - Trục 𝑥𝑖 cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục 𝑧𝑖 + 1 và trục 𝑧𝑖. - Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x đã xác định của khâu đó. Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo quy tắc bàn tay phải.
- Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần giống nhất với hệ tọa độ gần nó.