Xét một hình chữ nhật với các đỉnh P1 = (x1, y1), P2 = (x2, y2), P3 = (x3, y3) và P4=(x4, y4), với P1P2 và P3P4 hai mặt song song với chiều dài a, cũng nhƣ P2P3 và P4P1 với chiều dài b. Ngoài ra, chúng ta hãy giả định rằng gốc của hệ tọa độ nằm ở trung tâm của hình chữ nhật.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1.8: Hình chữ nhật có gốc tọa độ nằm ở giữa
Hough Transform (HT), có thể đƣợc sử dụng để phát hiện các hình dạng tùy ý (kể cả hình chữ nhật). Tuy nhiên, một hình chữ nhật chung có 5 thành phần: hai tọa độ của các trung tâm, chiều rộng, chiều cao và hƣớng. Điều này sẽ đòi hỏi bộ nhớ và tính toán mạnh.
Một số công việc đã đƣợc thực hiện về mô tả hình dạng trong không gian Hough. Rosenfeld và Weiss đã chứng minh rằng một lồi đa giác là duy nhất đƣợc xác định bởi các đỉnh của nó (trên thực tế, những đỉnh tạo thành cạnh lồi của đa giác). Tuy nhiên, chúng ta phải đối mặt với một vấn đề khác nhau: phát hiện hình chữ nhật trong hình ảnh có chứa một số đối tƣợng. Một hình chữ nhật có liên hệ hình học cụ thể, có thể đƣợc trực tiếp phát hiện trong không gian Hough hình ảnh của hình chữ nhật trong không gian Hough.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1.9: Hình chữ nhật trong không gian Hough.
Bốn đỉnh đƣợc dán nhãn là H1 = (ρ1, θ1), H2 = (ρ2, θ2), H3 = (ρ3, θ3) và H4 =(ρ4, θ4), tƣơng ứng với bốn cạnh của hình chữ nhật (P2P3, P1P4, P3P4 và P1P2, tƣơng ứng). Có thể đƣợc nhận thấy bốn đỉnh đáp ứng cụ thể liên hệ hình học:
1. Xét theo cặp: cặp thứ nhất là các đỉnh H1 và H2, tại θ = α1, thứ hai là các đỉnh H3 và H4, tại θ = α0.
2. Hai đỉnh thuộc cùng một cặp là đối xứng so với trục θ, nghĩa là ρ1 + ρ2= 0 và ρ3 + ρ4= 0.
3. Hai cặp đƣợc phân cách bằng Δθ = 900 ở trên trục θ, nghĩa là | α1 – α0 | = 900 4. Chiều cao của hai đỉnh trong cùng một cặp là giống hệt nhau, và đại diện cho chiều dài của đoạn đƣờng tƣơng ứng, ví dụ, C (ρ1, θ1) = C (ρ2, θ2) = b và C (ρ3, θ3) = C (ρ4, θ4) = a.
5. Khoảng cách theo chiều dọc (trục ρ) giữa đỉnh trong mỗi cặp đƣợc chính xác các cạnh của hình chữ nhật, tức là, ρ1 – ρ2 = a và ρ3 – ρ4 = b.
Những mối liên hệ trên có thể không đúng nếu có là những cấu trúc khác hiện diện trong hình ảnh, bởi vì cạnh liên quan đến nhiễu hoặc các công trình khác có ảnh hƣởng toàn cục trong hình ảnh Hough. Đặc biệt, mối liên hệ 1, 2 và 3 sẽ
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
mạnh hơn trong sự hiện diện của các cấu trúc khác, và khám phá mạnh mẽ trong công việc này để phát hiện hình chữ nhật trong hình ảnh.
+ Thuật toán tìm hình chữ nhật:
Ý tƣởng cơ bản của thuật toán là để tìm kiếm mỗi điểm ảnh (x, y) của hình ảnh, tính toán HT của cạnh hình ảnh trong một khu vực nhất định tâm tại (x, y), tìm đỉnh có liên quan của HT, và sử dụng các điều kiện đƣợc mô tả trong mục trƣớc để xác định có một hình chữ nhật tâm tại (x, y).
Chúng ta hãy xem xét một điểm ảnh (x0, y0), và một khu vực lân cận trung tâm tại (x0, y0). Khu vực này phải đủ lớn để chứa tất cả các cạnh của bất kỳ hình chữ nhật có thể tập trung tại (x0, y0). Mặt khác, nó phải là càng nhỏ càng tốt, để tránh cạnh thuộc các cấu trúc khác (và / hoặc cạnh liên quan đến nhiễu).
Một khu vực tìm kiếm phù hợp là một vòng tròn có đƣờng kính Dmin và đƣờng kính ngoài Dmax. Lựa chọn các thông số này đƣợc thực hiện dựa trên các kích thƣớc của hình chữ nhật đƣợc phát hiện: Dmin nên đƣợc xấp xỉ bằng nhỏ nhất kích thƣớc của bất kỳ hình chữ nhật có thể, và Dmax gần bằng với đƣờng chéo lớn nhất của bất kỳ mặt hình chữ nhật trong hình ảnh. Lựa chọn nhƣ các thông số đảm bảo rằng bất kỳ hình chữ nhật trong hình ảnh sẽ có tất cả các cạnh của nó trong khu vực tìm kiếm (khi trung tâm của khu vực tìm kiếm phù hợp các trung tâm của hình chữ nhật). 4 3 , 4 3 max p d D d (1.5)
1.4.2. Biến đổi Hough tìm đường tròn
Sử dụng phƣơng trình đƣờng tròn tổng quát: 2 2 2 ) ( ) (x a y b r (1.6)
Biến đổi Hough có thể đƣợc sử dụng để xác định các thông số của một vòng tròn khi một số điểm nằm trong chu vi của vòng tròn. Một vòng tròn với bán kính R và tâm (a, b) có thể đƣợc mô tả bằng các phƣơng trình tham số sau:
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ) sin( ) cos( R b y R a x (1.7) Khi quét góc θ quay 3600
đầy đủ các điểm (x, y) ta có chu vi của một vòng tròn. Nếu một hình ảnh có chứa nhiều điểm, một số trong đó nằm trên biên vòng tròn và ba tham số (a, b, R) để mô tả mỗi vòng tròn. Sử dụng 3 thông số trên đòi hỏi thời gian tính toán lớn và không gian bộ nhớ.
Để đơn giản, chƣơng trình thiết lập bán kính lên đến một giá trị không đổi (mã hóa cứng) hoặc cung cấp cho ngƣời dùng với các tùy chọn thiết lập một phạm vi (tối đa và tối thiểu) trƣớc khi chạy ứng dụng.
Đối với mỗi điểm, một vòng tròn đƣợc vẽ tại thời điểm đó là tâm và bán kính r. Circular Hough Transform cũng sử dụng một mảng (3D) với hai kích thƣớc đầu tiên là các tọa độ của hình tròn và thứ ba xác định bán kính. Các giá trị trong các mảng đƣợc tăng lên mỗi khi một vòng tròn đƣợc vẽ với bán kính mong muốn trên tất cả các điểm. Tích lũy số lƣợng vòng tròn đi qua tọa độ của mỗi điểm ảnh. Tọa độ tâm của vòng tròn trong hình ảnh là các tọa độ với số các điểm ảnh có cùng khoảng cách tới tâm.
- Các bƣớc tìm đối tƣợng hình tròn bằng biến đổi Hough [11].
+ Đọc hình ảnh và chuyển đổi để hình ảnh nhị phân. Sau đó, tìm vị trí của giá trị 1.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
+ Tìm tất cả các thông tin cần thiết cho việc chuyển đổi của totalpix là số '1' trong hình ảnh.
+ Preallocate bộ nhớ cho các ma trận Hough. Tập hợp các điểm xung quanh tâm với bán kính R.
+ Thực hiện phép biến đổi Hough, nằm ở bên trong vòng lặp. Phần này chƣơng trình sẽ vẽ bản đồ hình ảnh ban đầu cho miền a-b.
+ Hiện ma trận của phép biến đổi Hough.
Hình 1.11: Hiển thị ma trận của phép biến đổi Hough
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1.12: Tâm của vòng tròn với bán kính R Chƣơng 2
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1. Sơ lƣợc quá trình phát triển của robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” xuất hiện từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con ngƣời để phục vụ con ngƣời. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chƣớc các hoạt động cơ bắp của con ngƣời.
Đầu thập kỷ 60 của thế kỷ trƣớc, công ty Mỹ là AMF (American machine
and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Ngƣời
máy công nghiệp” (Industrial Robot). Ngày nay ngƣời ta đặt tên ngƣời máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng nhƣ tay ngƣời đƣợc điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool).
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị chủ - tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Ngƣời thao tác đƣợc tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bƣớc tƣờng có một hoặc vào của quan sát để có thể nhìn thấy đƣợc công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của con ngƣời thao tác: nó gồm có một bộ phận kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, đƣợc nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo chuyển động của tay cầm. Mỹ là nƣớc sản xuất robot đầu tiên có trên là Unimate-1900 đƣợc dung trong kỹ nghệ ô tô. Sau đó là các nƣớc sản xuất robot công nghiệp nhƣ Anh- 1967, Thụy Điển và Nhật-1968…
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Tính năng làm việc của robot ngày cành đƣợc nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trƣờng Đại học tổng hợp Sanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hƣớng bàn kẹp theo vị trí vậy kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 công ty Mỹ là Cincinnati đƣa ra loại robot đƣợc điều khiển bằng máy vi tính gọi là robot T3 (The
Tomorrow Tool: Công cụ của tƣơng lai). Robot này có thể nâng đƣợc vật có trọng
lƣợng đến 40kg.
Có thể nói, robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chƣơng trình số cũng nhƣ kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biển, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia…
2.2. Ứng dụng robot công nghiệp trong quá trình sản xuất
Từ khi mới ra đời robot công nghiệp đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực dƣới góc độ thay thế còn ngƣời. Nhờ vậy các day chuyền sản xuất đƣợc tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lƣợng và khả năng cạnh trạnh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt đƣợc các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot nhƣ: làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyển nghề một các thành thạo, chịu đƣợc phóng xạ và các môi trƣờng làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” đƣợc cả từ trƣờng và “nghe” đƣợc cả siêu âm… Robot đƣợc dung thay thế con ngƣời trong các trƣờng hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhƣng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn.
Trong ngành cơ khí, robot dƣợc sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm…
Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hóa cao, mức độ
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
linh hoạt cao… ở đây các máy và robot đƣợc điều khiển bằng cùng một hệ thống chƣơng trình.
Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vƣợt hơn khả năng của con ngƣời: do đó nó là phƣơng tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con ngƣời những công việc nặng nhọc và độc hại. Nhƣợc điểm lớn nhất của robot là chƣa linh hoạt nhƣ con ngƣời, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dƣới sự giám sát của con ngƣời.
2.3. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp
2.3.1. Định nghĩa robot công nghiệp
Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot nhƣ: Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp)
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chƣơng trình, tổng hợp các chƣơng trình đặt ra trên các trục tạo độ: có khả năng định vị, định hƣớng, di chuyển các đối tƣợng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo những hành trình thay đổi đã chƣơng trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America):
Robot là môt tay máy vạn năng có thể lặp lại các chƣơng trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chƣơng trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga):
Robot công nghiệp là một máy tự động, đƣợc đặt cố định hoặc di động đƣợc, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chƣơng trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
Có thể nói robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt trên từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con ngƣời trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Robot công nghiệp có khả năng chƣơng trình hóa linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp đƣợc trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ: hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các công việc (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy…) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tƣợng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, đƣợc gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.
2.3.2. Bậc tự do của robot (DOF: Degrees Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển đƣợc một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt đƣợc một số bậc tự do. Nói chung hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:
(2.1)
Đối với các cơ cấu có các khâu đƣợc nối với nhau bằng khớp quay tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do để định hƣớng. Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp… có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn. Các robot hàn, sơn,… thƣờng yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trƣờng lợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ƣu hóa quỹ đạo,… ngƣời ta dùng robot với số bậc tự do lơn hơn 6.
2.3.3. Hệ tọa độ (Coordinate frames)
Mỗi robot thƣờng bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi à hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ chuẩn). Các hệ tọa độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rông. Trong từng thời
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc cả các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các tọa độ suy rộng còn đƣợc gọi là biến khớp.
Hình 2.1. Các tọa độ suy rộng của robot
Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: cái, trỏ và giữa theo 3 phƣơng vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phƣơng và chiều