Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TẠO HÌNH ĐA CHIỀU DESIGN AND DEVELOPMENT 3D SHAPED ROBOT Tưởng Phước Thọa, Nguyễn Trường Thịnhb, Nguyễn Ngọc Phương c Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM a thotp@hcmute.edu.vn; bthinhnt@hcmute.edu.vn; cphuongnn@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Với phát triển công nghệ thông tin hình thức kinh doanh quảng cáo qua mạng, việc cho khách hàng cảm nhận rõ thông tin hình dáng chi tiết sản phẩm lợi lớn Bài báo đề xuất ứng dụng dạng cánh tay Robot mang camera để xây dựng liệu đầu vào với hàng loạt ảnh 2D chụp góc độ khác đối tượng, sau nhờ vào phần mềm chuyên dụng ghép ảnh lại để tạo ảnh tương tác đa chiều giúp người dùng xoay đối tượng đến 3600 Từ 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 linear joints and 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 GIỚI THIỆU Ảnh đa chiều ảnh ghép từ ảnh 2D truyền thống, hiển thị đầy đủ góc cạnh đối tượng, giúp định rõ khoảng cách chiều sâu đối tượng Hơn nữa, xoay ảnh góc quan sát khác nhau, ta cảm thấy vị trí tương đối đối tượng ảnh thay đổi, giống người quan sát vòng quanh vật thật Điều thuận lợi trưng bày hình ảnh sản phẩm trang web bán hàng, giúp cho người mua hàng có nhìn chi tiết sản phẩm Một cách tạo ảnh đa chiều (3D) hiệu tích hợp từ loạt ảnh 2D với góc chụp liên tục Theo khảo sát có Công ty Cộng hòa Séc chuyên sản xuất thiết bị chụp hình tích hợp đa chiều dạng cánh tay Robot (Hình 1) 188 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 1: Robot chụp hình 3D Tùy theo phạm vi hoạt động robot, đáp ứng nhu cầu loại sản phẩm chẳng hạn với đối tượng nhỏ bóng loáng (trang sức, ly, đồng hồ, điện thoại di động, chai rượu,…), đến vật thể có kích cỡ trung bình (máy tính, thời trang, hàng hóa tiêu thụ,…) đối tượng có kích cỡ lớn (xe đạp, xe hơi, tủ lạnh, thiết bị nội thất, máy công nghiệp,…) – Hình Hình ảnh đa chiều (3D) loạt ảnh đối tượng chụp từ góc độ khác nhau, nhằm lấy đầy đủ chiều không gian vật Điều cho phép người sử dụng xoay đối tượng đến 3600, phóng to hay thu nhỏ để xem góc cạnh, chi tiết đối tượng cách rõ ràng Những hình ảnh ứng dụng để làm hình ảnh quảng cáo sản phẩm, kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm, giúp tiết kiệm thời gian chi phí, tạo lợi cạnh tranh Ở Việt Nam, qua thời gian khảo sát thông tin tạp chí hội nghị quốc tế, chưa tìm thấy nhóm, quan tập trung đầu tư nghiên cứu để chế tạo Robot dạng này, khả ứng dụng vào thực tiễn để tăng tính cạnh tranh công ty quảng bá sản phẩm lớn Vì vậy, việc đầu tư tập trung vào nghiên cứu, chế tạo ứng dụng Việt Nam nhu cầu cấp thiết, mở triển vọng để hoàn thiện sản phẩm dạng tương lai mang lại lợi ích to lớn cho thị trường Hình 2: Trình diễn ảnh đa chiều từ ảnh 2D sản phẩm Hình ảnh đa chiều (Hình 2) xây dựng nhờ vào loạt ảnh 2D đối tượng chụp từ góc độ khác nhau, nhằm lấy đầy đủ ba chiều không gian vật Sau đó, dùng phần mềm máy tính chuyên dụng để ghép hình lại để tạo ảnh 3D THIẾT KẾ CƠ KHÍ [1],[2],[3] Với mục tiêu thiết kế robot chụp ảnh 3600, robot phải di chuyển camera xung quanh vật để chụp ảnh góc độ khác nhằm tạo hình ảnh đa chiều vật thể (Hình 3), 189 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV khớp robot phải di chuyển kết hợp tạo chuyển động theo quỹ đạo cung tròn, camera hướng vào điểm đối tượng cần chụp ảnh, gọi tâm đối tượng Kích thước phạm vi hoạt động robot phụ thuộc vào kích thước đối tượng cần chụp Vì 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 chụp ảnh đa chiều Trong thiết kế robot, việc đảm bảo ổn định, rung động độ xác ý Phương án cánh tay bậc tự tịnh tiến xoay đặt đứng – kết hợp với bàn xoay 3600 (Hình 4) lựa chọn Ưu điểm phương án có độ xác cao, độ cứng vững cao, dễ chế tạo Với yêu cầu toán khâu robot kết hợp chuyển động để khâu chấp hành cuối mang camera tạo cung tròn bán kính 400mm – 1200mm Vùng không gian hoạt động camera cung tròn 90o có bán kính từ 400mm – 1000mm, vùng V Hình Do ta chọn kích thước khâu khâu 1200mm K Khâu V Khâu Hình 4: Không gian hoạt động robot PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC ROBOT [1] Để phân tích vị trí khâu công tác phần toán động học Có toán phân tích vị trí toán động học thuận toán động học nghịch Kết toán động học thuận nhằm xác định vị trí hướng đầu công tác Kết toán nghịch có nhiệm vụ tính toán, xác định giá trị biến khớp Bài toán động học nghịch để 190 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV tính toán gia tốc vận tốc robot giúp cho việc điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo cách tối ưu Hệ trục tọa độ robot xác định Hình d2 X2 ɵ3 Z1 X1 R Z2 d1 Z0 O X3 Z3 Y0 X0 Hình 5: Hệ trục tọa độ robot Quy tắc Denavit-Hartenberg sử dụng để lập phương trình động học robot Từ bảng thông số D-H (Denavit-Hartenberg) ma trận chuyển vị từ hệ trục đến hệ trục 3: −S 0 T3 = A1 A A => T3 = C3 0 −C3 −S3 d − RS3 d1 + RC3 (1) Với tọa độ khâu cuối robot: n x n T3 = y nz 0 ox oy oz ax ay az Px Py Pz 1 (2) Ta có phương trình động học thuận tọa độ điểm cuối: Px P P= = y P z 0 d − RS 3 d1 + RC3 (3) Để có giá trị biến khớp, ta phải giải toán động học thuận P x =0 nên phương trình có vô số nghiệm cho ẩn Nhưng theo yêu cầu đề tài, máy ảnh di chuyển theo cung 90o bán kính chụp nhập theo yêu cầu nên ta có phương trình tham số theo θ : Py + R.S3 d= Pz − R.C3 d= 191 (4) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Với điều kiện: 0 ≤ θ3 ≤ 90 Pz − D1 Pz < C3 < R R D − Py Py − < S3 < R R (5) Trong D D chiều dài trục Z trục Y Dựa vào giá trị toán động học thuận ta có giá trị điểm toạ độ chân Từ tọa độ lấy vi phân biến khớp ta xác định ma trận Jacobian Ma trận sử dụng để xác định vận tốc cấu theo vận tốc khớp Vector vận tốc dài cấu cuối có từ việc vi phân trực tiếp: v = d − RC3θ = d − RS3θ d 0 0 −RC d 3 2 1 −RS3 θ (6) Đối với robot có n khớp, vận tốc góc cấu cuối tổng vận tốc khớp (7) thành phần: ωn = ω1 + R 1 ω2 + + R n −1 n −1 ωn Với n = ⇒ ω3 = ω1 + R ω2 + R 2 ω3 0 Trong R , R ma trận khớp xoay 0 Khâu khâu khớp tịnh tiến ω1 =0, ω2 =0 Thế vào công thức (7) : θ R2 2ω ⇒ 0ω = = 3 0 0 (8) Vector vận tốc chung cho robot cho bởi: d v V = = J × d ω θ 0 0 1 Với ma trận Jacobi là: J = 0 0 0 ( 9) 0 − R Cos θ3 − R Sin θ3 0 0 Sau phân tích động học, xác định vị trí robot giá trị biến khớp tương ứng Qua giải vấn đề chuyển động theo vị trí nhập trước robot 192 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV cách, từ giá trị biến khớp tính sau chuyển đổi số xung cung cấp cho động AC-Servo thông qua PLC GIẢI THUẬT CHUYỂN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN [1][4] Để robot chụp ảnh từ nhiều góc độ phải thiết kế quỹ đạo chuyển động cho đầu công tác (camera) Sau tham khảo nhiều ý tưởng cho giải thuật chuyển động robot, nhóm định sử dụng phương pháp nội suy cung tròn (Hình 6) để thực chuyển động robot Phương pháp đáp ứng yêu cầu thiết bị chụp theo bán kính chụp cho trước theo cung tròn 900 Dây cung chia thành nhiều đoạn nhỏ Bộ nội suy giúp tính toán vị trí vận tốc khâu chuyển động tạo quỹ đạo Vị trí tính toán thành số xung, vận tốc tính tần số xuất xung nhờ cung cấp cho điều khiển để điều khiển động Trong đề tài này, để cung cấp thông tin cho nội suy tính toán cần: tọa độ tâm, bán kính cung tròn, tọa độ điểm đầu điểm cuối quỹ đạo chuyển động Trong đó, cung tròn cho phương trình tham số: d1 = Pz − R × cos(t) d = Py + R × sin(t) θ3 =t Trong : − R bán kính cung tròn − (P y , P z ) tọa độ điểm C 100 Y axis B A X axis 200 Hình 6: Quỹ đạo Ưu điểm nội suy cung tròn đơn giản hóa việc lập trình, nhiên hoạt động chưa mượt mà linh hoạt Trong chương trình điều khiển V (vận tốc) tần số cấp xung xuống PLC Muốn chuyển động mịn ta giảm ∆𝑡𝑡 tăng tần số cấp xung f Hình giải thuật điều khiển hệ thống hoạt động chụp ảnh đa chiều Cấu trúc hệ thống điều khiển robot hệ thống điều khiển phân bố, cấu thành từ phận tương tự máy tính bao gồm xử lý trung tâm, nhớ xuất/nhập kết hợp với hình để hiển thị lệnh lập trình đồng thời theo dõi thay đổi tọa độ dịch chuyển khâu Toàn phần nói bố trí bên tủ điều khiển xếp theo mô đun gồm bo mạch điện tử 193 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bắt đầu Nhập liệu Trạng thái bắt đầu Tính toán vị trí theo quỹ đạo Tính toán giá trị biến khớp Chuyển động theo quỹ đạo Hình 7: Giải thuật điều khiển Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot Hình Bộ điều khiển robot hoàn toàn dựa vào điều khiển vị trí khớp Hình sơ đồ điều khiển khớp robot dựa tín hiệu công tắc hành trình encoder Tất quỹ đạo khớp tính toán cách giải toán động học nghịch truyền qua điều khiển khớp quay để điều khiển khớp chuyển động theo yêu cầu Bộ điều khiển khớp quay điều khiển theo vị trí điều khiển thích hợp PID (Proportional Integral Derivative)[2] Phần giao diện điều khiển có chức hỗ trợ người dùng giao tiếp với tay máy thông qua máy tính, giao diện có hỗ trợ khả lập trình cho tay máy làm số công việc lặp lại Trên giao diện có mô hình mô hoạt động tay máy, mô đun kèm Tham chiếu x y z φ Động học nghịch θ1 θ2 θ3 Khớp 1, θ1 PLC x* y* z* φ* Động học thuận θ1 θ2 θ3 MR-J20A Động + Bộ truyền Khớp 2, θ2 Khớp 3, θ3 θ1, θ2, θ3, Thực tế Thực tế Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot Tín hiệu yêu cầu chuyển động Giải toán động học nghịch Máy tính điều khiển Bộ nội suy tuyến tính Bộ điều khiển động + - Bộ điều khiển khớp quay Hình 9: Sơ đồ điều khiển khớp robot 194 Encoder Động Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THỰC NGHIỆM Sau trình thực nghiên cứu chế tạo hệ thống chụp hình đa chiều bao gồm robot bậc tự bàn xoay tròn 3600 Hình 10 thông số kỹ thuật Bảng Hình 10: Hệ thống chụp ảnh 3600 Cho robot chạy thực nghiệm lưu lại tọa độ điểm làm sở đánh giá độ xác robot Hình 11 sai số nội suy robot thực chụp ảnh đối tượng giao diện điều khiển hệ thống Hình 11: Độ sai lệch nội suy quỹ đạo giao diện điều khiển Bảng 1: Đặc tính kỹ thuật robot STT Thông số kỹ thuật Mô tả Kích thước 1200 × 800 × 2200 Phạm vi hoạt động Đường tròn bán kính 400 – 1200mm Tốc độ tối đa 0.05m/s Sai số lặp lại 0.6mm Điện áp hoạt động 220VAC – 60Hz Thời gian chụp ảnh 5s với góc di chuyển 50 Công suất động 200W Ở phần thực nghiệm chụp ảnh đối tượng, robot chụp hình ảnh hai chiều từ nhiều góc độ vật thể với bán kính chụp khác (Hình 12-13) 195 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 12: Bán kính chụp 800mm Hình 13: Bán kính chụp 600mm Sau chụp, tập hợp ảnh chuyển thành file SWF để trình diễn website trình chiếu phần mềm Power point – Hình 14 Hình 14: Trình diễn ảnh đa chiều Website 196 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT LUẬN Thiết kế chế tạo Robot mang camera ba bậc tự giúp camera hướng vào tâm đối tượng ứng dụng xây dựng hình ảnh 3D xoay đối tượng 3600 phóng to xem góc cạnh sản phẩm, với vùng không gian hoạt động robot từ 400 mm đến 1400 mm, đáp ứng với sản phẩm có kích cỡ khác Với tốc độ chụp 5s/ảnh (phụ thuộc vào độ phân giải robot tốc độ chụp loại máy ảnh) hệ thống khoảng phút chụp đối tượng với độ phân giải 200 ảnh Cơ cấu cánh tay robot phù hợp với yêu cầu đặt ứng dụng chụp ảnh ghép đa chiều, đưa camera đến vị trí chụp nhanh xác Sản phẩm hoàn thiện có khả ứng dụng thực tế lớn với thị trường mua sắm trực tuyến ngày phát triển Robot hoàn thành phù hợp với yêu cầu đặt ra, chụp vật thể theo nhiều góc độ bán kính chụp Robot hoạt động tốt, di chuyển nhanh linh hoạt đến vị trí không gian hoạt động, chụp ảnh nhanh, camera hướng vào tâm vật thể Các hình ảnh chụp có độ liên tục cao, đưa vào ứng dụng chụp hình sản phẩm trang bán hàng online, chụp hình thiết bị phục vụ cho việc giảng dạy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS TS Nguyễn Trường Thịnh, Kỹ thuật ROBOT, NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2014 [2] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí, NXB Giáo dục [3] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, Đại học Quốc Gia TP HCM - Trường Đại học Bách Khoa [4] Phạm Đăng Phước, Robot Công nghiệp, NXB Xây dựng, 2007 197 ... ghép hình lại để tạo ảnh 3D THIẾT KẾ CƠ KHÍ [1],[2],[3] Với mục tiêu thiết kế robot chụp ảnh 3600, robot phải di chuyển camera xung quanh vật để chụp ảnh góc độ khác nhằm tạo hình ảnh đa chiều. .. cho thị trường Hình 2: Trình diễn ảnh đa chiều từ ảnh 2D sản phẩm Hình ảnh đa chiều (Hình 2) xây dựng nhờ vào loạt ảnh 2D đối tượng chụp từ góc độ khác nhau, nhằm lấy đầy đủ ba chiều không gian... chiếu phần mềm Power point – Hình 14 Hình 14: Trình diễn ảnh đa chiều Website 196 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT LUẬN Thiết kế chế tạo Robot mang camera ba bậc