THIẾT kế, CHẾ tạo ROBOT tạo HÌNH đa CHIỀU

Bài báo đề xuất ứng dụng một dạng cánh tay Robot mang camera để xây dựng dữ liệu đầu vào với hàng loạt các ảnh 2D được chụp ở các góc độ khác nhau trên cùng một đối tượng, sau đó nhờ vào

THI ẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TẠO HÌNH ĐA CHIỀU

DESIGN AND DEVELOPMENT 3D SHAPED ROBOT

Tưởng Phước Thọa, Nguy ễn Trường Thịnhb, Nguy ễn Ngọc Phương c

Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

athotp@hcmute.edu.vn; bthinhnt@hcmute.edu.vn; cphuongnn@hcmute.edu.vn

V ới sự phát triển của công nghệ thông tin và các hình thức kinh doanh quảng cáo qua

m ạng, việc cho khách hàng cảm nhận rõ thông tin và hình dáng chi tiết sản phẩm là lợi thế

l ớn Bài báo đề xuất ứng dụng một dạng cánh tay Robot mang camera để xây dựng dữ liệu đầu vào với hàng loạt các ảnh 2D được chụp ở các góc độ khác nhau trên cùng một đối tượng, sau đó nhờ vào phần mềm chuyên dụng ghép các tấm ảnh này lại để tạo ra tấm ảnh tương tác

đa chiều giúp người dùng có thể xoay đối tượng đến 3600

T ừ khóa: Robot, hình đa chiều, tạo hình 3600

ABSTRACT

Paper mentions the development of a robot with camera attached to it, this robot can take picture from many different angles to create a 3600 picture for showing products on website This robot is designed with 2 linear joints and 1 rotation joint IT can take picture from many angles This paper recomment the mechanical design and motion algorithms, by all those algorithms, this robot can take the camera to many positions to perform the capturing task in order to increase image’s quality, which is applied variously in the product advertising branch on the internet

Keywords: Robot, many different angles, create a 3600 picture

Ảnh đa chiều là ảnh ghép từ các ảnh 2D truyền thống, có thể hiển thị được đầy đủ các góc c ạnh của đối tượng, giúp chúng ta định rõ được khoảng cách về chiều sâu giữa các đối tượng Hơn thế nữa, khi xoay tấm ảnh ở các góc quan sát khác nhau, ta còn cảm thấy vị trí tương đối đối tượng trong ảnh thay đổi, giống như khi người quan sát đi vòng quanh sự vật

th ật Điều này rất thuận lợi khi trưng bày hình ảnh sản phẩm trên các trang web bán hàng, giúp cho người mua hàng có cái nhìn chi tiết nhất về sản phẩm Một trong những cách tạo ảnh

đa chiều (3D) hiệu quả là tích hợp từ loạt ảnh 2D với các góc chụp liên tục Theo khảo sát thì

hi ện nay chỉ có một Công ty của Cộng hòa Séc chuyên về sản xuất các thiết bị chụp hình tích

h ợp đa chiều dạng cánh tay Robot (Hình 1)

Hình 1: Robot ch ụp hình 3D

Tùy theo ph ạm vi hoạt động của robot, cũng như đáp ứng nhu cầu từng loại sản phẩm

ch ẳng hạn như với các đối tượng nhỏ và bóng loáng (trang sức, ly, đồng hồ, điện thoại di động, chai rượu,…), đến các vật thể có kích cỡ trung bình (máy tính, thời trang, hàng hóa tiêu

th ụ,…) cho tới những đối tượng có kích cỡ lớn (xe đạp, xe hơi, tủ lạnh, thiết bị nội thất, các máy công nghi ệp,…) – Hình 1 Hình ảnh đa chiều (3D) là một loạt các ảnh của một đối tượng

được chụp từ những góc độ khác nhau, nhằm lấy được đầy đủ 3 chiều không gian của sự vật Điều đó cho phép người sử dụng có thể xoay đối tượng đến 3600, phóng to hay thu nh ỏ để xem m ọi góc cạnh, chi tiết của đối tượng một cách rõ ràng Những hình ảnh này được ứng

d ụng để làm hình ảnh quảng cáo sản phẩm, kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm, giúp tiết

ki ệm thời gian và chi phí, tạo lợi thế cạnh tranh Ở Việt Nam, qua thời gian khảo sát thông tin

t ại các tạp chí và các hội nghị quốc tế, chúng tôi vẫn chưa tìm thấy bất kỳ nhóm, cơ quan nào

t ập trung đầu tư nghiên cứu để chế tạo Robot dạng này, mặc dù khả năng ứng dụng của nó vào th ực tiễn để tăng tính cạnh tranh giữa các công ty khi quảng bá sản phẩm là rất lớn Vì

v ậy, việc đầu tư tập trung vào nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng tại Việt Nam là nhu cầu cấp thi ết, mở ra những triển vọng mới để hoàn thiện những sản phẩm dạng này trong tương lai mang l ại lợi ích to lớn cho thị trường

Hình 2: Trình di ễn ảnh đa chiều từ các ảnh 2D của sản phẩm

Hình ảnh đa chiều (Hình 2) được xây dựng nhờ vào một loạt các ảnh 2D của đối tượng

được chụp từ những góc độ khác nhau, nhằm lấy được đầy đủ ba chiều không gian của sự vật Sau đó, dùng phần mềm máy tính chuyên dụng để ghép các tấm hình này lại để tạo ảnh 3D

2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ [1],[2],[3]

V ới mục tiêu là thiết kế robot chụp ảnh 3600, robot ph ải di chuyển camera xung quanh

ật để chụp ảnh ở các góc độ khác nhau nhằm tạo ra hình ảnh đa chiều của vật thể (Hình 3),

do đó các khớp của robot phải di chuyển kết hợp tạo ra chuyển động theo quỹ đạo là một cung tròn, khi đó camera luôn hướng vào một điểm trên đối tượng cần chụp ảnh, gọi là tâm đối tượng Kích thước và phạm vi hoạt động của robot phụ thuộc vào kích thước của đối tượng

c ần chụp Vì vậy robot cần phải hoạt động linh hoạt điều chỉnh khoảng cách từ camera đến đối tượng cần chụp

Tâm đối tượng cần chụp

Hình 3: Nguyên lý ch ụp ảnh đa chiều

Trong thi ết kế robot, việc đảm bảo sự ổn định, sự rung động cũng như độ chính xác rất được chú ý Phương án cánh tay 3 bậc tự do 2 tịnh tiến 1 xoay đặt đứng – kết hợp với bàn xoay 3600 (Hình 4) được lựa chọn Ưu điểm của phương án này là có độ chính xác cao, độ

c ứng vững cao, dễ chế tạo

V ới yêu cầu bài toán các khâu của robot kết hợp các chuyển động để khâu chấp hành

cu ối cùng mang camera tạo được cung tròn bán kính 400mm – 1200mm Vùng không gian

ho ạt động của camera là cung tròn 90o có bán kính t ừ 400mm – 1000mm, chính là vùng V

trong Hình 4 Do đó ta có thể chọn kích thước khâu 1 và khâu 2 là 1200mm

V

K

Khâu 2

Khâu 1

Hình 4: Không gian ho ạt động của robot

Để phân tích vị trí của khâu công tác là phần cơ bản của bài toán động học Có 2 bài toán phân tích v ị trí đó là bài toán động học thuận và bài toán động học nghịch Kết quả của bài toán động học thuận nhằm xác định vị trí và hướng của đầu công tác Kết quả của bài toán ngh ịch có nhiệm vụ tính toán, xác định giá trị của các biến khớp Bài toán động học nghịch để

tính toán gia t ốc và vận tốc của robot giúp cho việc điều khiển robot di chuyển theo các quỹ đạo một cách tối ưu

H ệ trục tọa độ trên robot được xác định ở Hình 5

Z 0

X 0

Z 1

X 1

X 2

Y 0

Z 2

d 1

d 2

R

ɵ3

O

Hình 5: H ệ trục tọa độ của robot

Quy t ắc Denavit-Hartenberg được sử dụng để lập phương trình động học của robot

T ừ bảng thông số D-H (Denavit-Hartenberg) ma trận chuyển vị từ hệ trục 0 đến hệ trục 3:

T

=

(1)

V ới tọa độ khâu cuối của robot:

0 3

T

=

Ta có phương trình động học thuận của tọa độ điểm cuối:

x

z

P

Để có được giá trị các biến khớp, ta phải giải bài toán động học thuận nhưng do Px=0 nên phương trình có vô số nghiệm cho 3 ẩn Nhưng theo yêu cầu của đề tài, máy ảnh sẽ di chuy ển theo cung 90o và bán kính ch ụp được nhập theo yêu cầu nên ta có phương trình tham

s ố theo θ3:





V ới các điều kiện:

3

3

3

C

S



 ≤ θ ≤



−





−







(5)

Trong đó D1 và D2 l ần lượt là chiều dài của trục Z và trục Y

D ựa vào các giá trị trong bài toán động học thuận ta có giá trị của các điểm toạ độ chân

T ừ các tọa độ lấy vi phân của các biến khớp ta có thể xác định được ma trận Jacobian Ma

tr ận này có thể sử dụng để xác định vận tốc cơ cấu theo vận tốc khớp Vector vận tốc dài của

cơ cấu cuối có được từ việc vi phân trực tiếp:

1

 

 

 



(6)

Đối với robot có n khớp, vận tốc góc của cơ cấu cuối sẽ bằng tổng vận tốc của các khớp

Trong đó 0

1

R , 0R2 là ma tr ận các khớp xoay

Khâu 1 và khâu 2 là 2 kh ớp tịnh tiến do đó 0

1

ω =0, 0ω2=0 Th ế vào công thức (7) :

3

0

 

 

 



(8)

Vector v ận tốc chung cho robot được cho bởi:

1 2 3

d v

 

ω

 





V ới ma trận Jacobi là:

3 3

J

Sau khi phân tích động học, chúng ta có thể xác định vị trí của robot và giá trị các biến

kh ớp tương ứng Qua đó giải quyết được vấn đề chuyển động theo vị trí nhập trước của robot

b ằng cách, từ giá trị các biến khớp tính được sau đó chuyển đổi ra số xung là cung cấp cho động cơ AC-Servo thông qua PLC

4 GIẢI THUẬT CHUYỂN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN [1][4]

Để robot chụp được những bức ảnh từ nhiều góc độ phải thiết kế được quỹ đạo chuyển động cho đầu công tác (camera) Sau khi đã tham khảo nhiều ý tưởng cho giải thuật chuyển

động của robot, nhóm đã quyết định sử dụng phương pháp nội suy cung tròn (Hình 6) để thực

hi ện các chuyển động của robot Phương pháp này đáp ứng được yêu cầu của thiết bị là chụp theo bán kính ch ụp cho trước theo cung tròn 900

Dây cung được chia thành nhiều đoạn nhỏ Bộ nội suy giúp tính toán ra vị trí và vận tốc

c ủa các khâu trong chuyển động tạo quỹ đạo Vị trí được tính toán ra thành số xung, vận tốc tính được tần số xuất xung nhờ đó cung cấp cho bộ điều khiển để điều khiển động cơ Trong

đề tài này, để cung cấp thông tin cho bộ nội suy tính toán cần: tọa độ tâm, bán kính của cung tròn, t ọa độ điểm đầu và điểm cuối của quỹ đạo chuyển động

Trong đó, cung tròn được cho bởi phương trình tham số:

3

t

 = − ×

 = + ×



θ =

 Trong đó :

− R là bán kính cung tròn

− (Py, Pz) là t ọa độ các điểm

100

A

B

C

X axis

Hình 6: Qu ỹ đạo

Ưu điểm của bộ nội suy cung tròn là đơn giản hóa việc lập trình, tuy nhiên còn hoạt động chưa mượt mà linh hoạt Trong chương trình điều khiển thì V (vận tốc) chính là tần số

c ấp xung xuống PLC Muốn chuyển động càng mịn thì ta giảm ∆𝑡𝑡 và tăng tần số cấp xung f

Hình 7 là gi ải thuật điều khiển hệ thống hoạt động chụp ảnh đa chiều Cấu trúc của hệ thống điều khiển robot này là một hệ thống điều khiển phân bố, được cấu thành từ các bộ phận cơ

b ản tương tự như máy tính bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất/nhập kết hợp với màn hình để hiển thị các lệnh khi lập trình và đồng thời theo dõi sự thay đổi tọa độ trong dịch chuy ển của các khâu Toàn bộ các phần nói trên được bố trí bên trong tủ điều khiển chính và

được sắp xếp theo từng mô đun gồm các bo mạch điện tử

Trạng thái bắt đầu

Bắt đầu Nhập dữ liệu

Tính toán vị trí theo quỹ đạo Tính toán giá trị biến khớp Chuyển động theo quỹ đạo

Hình 7: Gi ải thuật điều khiển

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot như Hình 8 Bộ điều khiển của robot này hoàn

toàn d ựa vào điều khiển vị trí của các khớp Hình 9 là sơ đồ điều khiển khớp robot dựa trên

tín hi ệu của công tắc hành trình và encoder Tất cả quỹ đạo các khớp được tính toán bằng cách gi ải bài toán động học nghịch và được truyền qua bộ điều khiển các khớp quay để điều khi ển các khớp chuyển động theo yêu cầu Bộ điều khiển các khớp quay điều khiển theo vị trí

b ằng bộ điều khiển thích hợp PID (Proportional Integral Derivative)[2] Phần giao diện điều khi ển có chức năng hỗ trợ người dùng giao tiếp với tay máy thông qua máy tính, giao diện có

h ỗ trợ khả năng lập trình cơ bản cho tay máy làm một số công việc lặp lại Trên giao diện có

mô hình mô ph ỏng hoạt động của tay máy, các mô đun đi kèm

x

y

z

φ

Động học

nghịch

θ 1

θ 2

θ 3

θ 1

θ 2

θ 3

PLC Động học

thuận

x*

y*

z*

φ*

Bộ truyền

θ 1 , θ 2 , θ 3,

Thực tế Thực tế

Tham chiếu

Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot

Bộ nội suy

Encoder

Bộ điều khiển khớp quay

+

-Tín hiệu yêu cầu

Máy tính điều khiển chính

Hình 9: Sơ đồ điều khiển khớp robot

5 TH ỰC NGHIỆM

Sau quá trình th ực hiện nghiên cứu và chế tạo được hệ thống chụp hình đa chiều bao

g ồm một robot 3 bậc tự do và một bàn xoay tròn 3600như trên Hình 10 và thông số kỹ thuật như trên Bảng 1

Hình 10: H ệ thống chụp ảnh 3600

Cho robot ch ạy thực nghiệm lưu lại các tọa độ điểm làm cơ sở đánh giá độ chính xác

c ủa robot Hình 11 là sai số nội suy của robot khi thực hiện chụp ảnh đối tượng và giao diện

điều khiển hệ thống

Hình 11: Độ sai lệch nội suy quỹ đạo và giao diện điều khiển

B ảng 1: Đặc tính kỹ thuật của robot

1 Kích thước 1200 800 2200 × ×

2 Ph ạm vi hoạt động Đường tròn bán kính 400 – 1200mm

3 T ốc độ tối đa 0.05m/s

4 Sai s ố lặp lại 0.6mm

5 Điện áp hoạt động 220VAC – 60Hz

6 Th ời gian chụp 1 ảnh 5s v ới góc di chuyển 50

7 Công su ất động cơ 200W

Ở phần thực nghiệm chụp ảnh đối tượng, robot đã chụp được những hình ảnh hai chiều

ừ nhiều góc độ của các vật thể với các bán kính chụp khác nhau (Hình 12-13)

Hình 12: Bán kính ch ụp 800mm

Sau khi ch ụp, tập hợp ảnh được chuyển thành file SWF để trình diễn trên các website

ho ặc trình chiếu trên phần mềm Power point – Hình 14

Hình 14: Trình di ễn ảnh đa chiều trên Website

K ẾT LUẬN

Thi ết kế và chế tạo Robot mang camera ba bậc tự do giúp camera luôn hướng vào tâm đối tượng ứng dụng xây dựng hình ảnh 3D xoay đối tượng 3600 phóng to xem m ọi góc cạnh

c ủa sản phẩm, với vùng không gian hoạt động của robot từ 400 mm đến 1400 mm, đáp ứng được với các sản phẩm có kích cỡ khác nhau Với tốc độ chụp 5s/ảnh (phụ thuộc vào độ phân

gi ải robot và tốc độ chụp của các loại máy ảnh) hệ thống chỉ mất khoảng 5 phút khi chụp 1 đối tượng với độ phân giải 200 ảnh

Cơ cấu cánh tay robot phù hợp với yêu cầu đặt ra của ứng dụng chụp ảnh ghép đa chiều, đưa camera đến các vị trí chụp rất nhanh và chính xác Sản phẩm hoàn thiện có khả năng ứng

d ụng thực tế rất lớn với thị trường mua sắm trực tuyến ngày càng phát triển

Robot hoàn thành phù h ợp với yêu cầu đặt ra, chụp được vật thể theo nhiều góc độ và cùng bán kính ch ụp Robot hoạt động tốt, di chuyển nhanh và linh hoạt đến các vị trí trong không gian ho ạt động, chụp ảnh nhanh, camera hướng vào tâm vật thể Các hình ảnh chụp có

độ liên tục cao, có thể đưa vào ứng dụng chụp hình các sản phẩm trên các trang bán hàng online, ho ặc chụp hình các thiết bị phục vụ cho việc giảng dạy

[1] PGS TS Nguy ễn Trường Thịnh, Kỹ thuật ROBOT, NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí

Minh, 2014

[2] Tr ịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, NXB Giáo dục

[3] Nguy ễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, Đại học Quốc Gia TP HCM - Trường Đại học

Bách Khoa

[4] Ph ạm Đăng Phước, Robot Công nghiệp, NXB Xây dựng, 2007