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 của trục z, thì ngon trỏ chỉ phƣơng, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phƣơng, chiều của trục y.
Hình 2.2: Qui tắc bàn tay phải
Trong robot ta thƣờng dùng chũ O và chỉ số n để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ n. Nhƣ vậy hệ tọa độ cơ bản (hệ tọa độ gắn với khâu cố định) sẽ đƣợc ký hiệu Oo, hệ tọa độ gắn với khâu trung gian tƣơng ứng sẽ là O1, O2,… On-1, hệ tọa độ chấp hành cuối ký hiệu là On.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.3.4. Trường công tác của robot
Trƣờng công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ thế tích đƣợc quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trƣờng công tác bị ràng buộc vởi các thông số hình học của robot cũng nhƣ các ràng buộc cơ học của các khớp: ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc 3600. Ngƣời ta thƣờng dùng hai hình chiếu để mô tả trƣờng công tác cả một robot.
Hình 2.3: Biển diễn trƣờng công tác của robot 2.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
2.4.1. Các thành phần chính của robot công nghiệp
Một robot công nghiệp thƣờng bao gồm các thành phần chính nhƣ: cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính… các phần mềm lập trình cũng nên đƣợc coi là một thành phần của hệ thống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot nhƣ hình.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.4. Các thành phần chính của hệ thống robot
Cánh tay robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.
Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bƣớc), các hệ thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.
Dụng cụ thao tác đƣợc gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể có nhiều kiểu khác nhau nhƣ: dạng bàn tay để nắm bắt đối tƣợng hoặc các công cụ làm việc nhƣ mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn…
Thiết bị dạy-học dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã đƣợc dạy để làm việc (phƣơng pháp lập trình kiểu dạy học).
Các phầm mềm để lập trình và các chƣơng trình điều khiển robot đƣợc cài đặt trên máy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển. Bộ điều khiển còn đƣợc gọi là modun điều khiển, nó thƣờng đƣợc kết nối với máy tính. Một modun điều khiển có thể còn có các cổng vào-ra để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau nhƣ các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tƣợng làm việc hoặc các dò tìm khác, điều khiển băng tải hoặc có cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot..
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.4.2. Kết cấu của tay máy
Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot. Các kết cấu của nhiều tay máy đƣợc phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay ngƣời, tuy nhiên ngày này tay máy đƣợc thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dáng rất khác xa cánh tay ngƣời. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình – động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot nhƣ: tầm với (hay trƣờng công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt cho robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp…
Các khâu của robot thƣờng thực hiện hai chuyển động cơ bản:
- Chuyển động tịnh tiến theo hƣớng x, y, z trong không gian Descarde, thông thƣờng tạo nên các hình khối, các chuyển động này thƣờng ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic).
- Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R (Roatation).
Robot kiểu tạo độ Đề các: là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phƣơng của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trƣờng công tác có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khi dễ đảm bảo vì vậy nó thƣờng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng…
Hình 2.5. Robot kiển tạo độ Đề các
Robot kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng. Thƣờng khớp thứ nhất chuyển động quay. Ví dụ robot 3 bặc tự do, cấu hình R.T.T. Có nhiều robot kiểu tọa độ trụ nhƣ: robot Versatran của hãng AMF (Mỹ).
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.6. Robot kiểu tọa độ trụ
Robot kiểu tọa độ cầu: Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu. Thƣờng đỗ cứng của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụng robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu.
Hình 2.7. Robot kiểu tọa độ cầu
Robot kiểu tạo độ góc (Hệ tọa độ phỏng sinh): Đây là kiểu robot đƣợc dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Các chuyển động định hƣớng khác cũng là các chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu. Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng. Ƣu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là gọn nhẹ,
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
tức là có vùng làm việc tƣơng đối lớn so với kích cỡ của bản thân robot, độ linh hoạt cao.
Hình 2.8. Robot hoạt động theo kiểu hệ tọa độ góc
Các hệ robot hoạt động theo hệ tọa độ góc nhƣ: Robot RUMA của hãng Unimation-Nokia (Mỹ - Phần Lan), Toshibo, Misubishi, Mazak (Nhật Bản)…
Robot kiểu SCARA: Robot SCARA ra đƣời năm 1979 tại trƣờng đại học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất. Tên gọi SCARA là biết tắt của “Selective Compliant Articulated Robot Arm” có nghĩa là tay máy mền dẻo tùy ý. Loại robot này thƣờng dùng trong công việc lắp rắp. Ba khớp đầu tiên của kiểu robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phƣơng thẳng đứng.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.9. Robot kiểu SCARA 2.5. Phân loại robot công nghiệp
Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể đƣợc phần loại theo các cách sau:
2.5.1. Phân loại theo kết cấu
Theo kết cấu của tay máy ngƣời ta phân thành robot kiểu tọa đồ Đề các, kiểu tọa độ trụ, kiểu tọa độ cầu, kiểu tọa độ góc, robot kiểu SCARA.
2.5.2. Phân loại theo hệ thống truyền động
Có các dạng truyền động phổ biến là:
- Hệ truyền động điện: Thƣờng dùng các động cơ điện 1 chiều (DC) hoặc các động cơ bƣớc. Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn. - Hệ truyền động thủy lực: Có thể đạt đƣợc công suất cao, đáp ứng những
điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thủy lực thƣờng có kết cấu công kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.
- Hệ truyền động khí nén: Có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngƣợc nhƣng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thƣờng chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chƣơng trình định sẵn với các thao tác đơn giản nhƣ “nhấc lên – đặt xuống”.
2.5.3. Phân loại theo ứng dụng
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, hàn, lắp ráp, chuyển phôi…
2.5.4. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển
Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), robot điều khiển kín (hay điều khiển servo) sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
Ngoài ra còn có các thể có cách phân loại khác tùy theo quan điểm và mục đích nghiên cứu.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chƣơng 3
ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BẰNG XỬ LÝ ẢNH 3.1. Ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp
Thị giác máy tính là một hệ thống gồm một hay hai camera quan sát, kết hợp với máy tính và chƣơng trình phần mềm có khả năng phân tích cao, giúp cho hệ thống có khả năng nhận biết đƣợc môi trƣờng trong vùng quan sát của camera [8].
Trong sản xuất công nghiệp ngày nay có rất nhiều nhiệm vụ công nghệ chế tạo có sự tham gia của xử lý ảnh. Với các bộ cảm biến (sensor) truyền thống nhƣ siêu âm, hồng ngoại, áp lực, ... thì việc cảm nhận, xác định các đối tƣợng trong nhiều trƣờng hợp khó khăn thậm chí không thực hiện đƣợc nhƣ kiểm tra lỗi trong sản xuất in ấn, các chi tiết máy không phản ứng với các sensor truyền thống,... khi đó việc sử dụng xử lý ảnh là giải pháp thích hợp.
Robot công nghiệp ngày nay đang đƣợc sử dụng rất nhiều trong nền công nghiệp hiện đại nó thay thế cho sức lao động của con ngƣời với những ƣu điểm nhƣ độ chính xác cao, độ ổn định, chi phí thấp, sản xuất ổn định,…Với mục đích làm tăng tính linh hoạt của robot công nghiệp phục vụ cho sản xuất và ứng dụng công nghệ thông tin trong lao động sản xuất ngƣời ta có thể sử dụng xử lý ảnh để xác định tọa độ vị trí của đối tƣợng với gốc tọa độ sau đó đƣa các thông tin này cho máy tính công nghiệp để điều khiển cách tay robot. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dù cho các công nghệ về nhận dạng và phân loại ảnh đã đạt đƣợc nhiều thành tựu đáng chú ý, lĩnh vực này vẫn còn nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết. Các vấn đề này thƣờng bao gồm: sự “méo” của đối tƣợng do môi trƣờng có nhiễu, góc quay từ cảm biến hình ảnh tới đối tƣợng. Đôi khi sự thay đổi của đối tƣợng cần nhận dạng không đƣợc biểu diễn một các chính xác do các giải thuật đƣợc ứng dụng với tập dữ liệu hạn chế. Ngoài ra đối tƣợng có thể bị méo trong quá trình xử lý ảnh. Trong các điều kiện thực tế khó khăn này, một hệ thống nhận dạng đáng tin cậy cần phải thực thi đƣợc chức năng nhận dạng phân loại theo thời gian thực với tỉ lệ chuẩn
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
xác cao. Do đó, việc cải tiến phát triểu các hệ thống xử lý ảnh cũng nhƣ các giải thuật là điều hết sức cần thiết đối với nhận dạng đối tƣợng cần sự chính xác và tốc độ cao. Luận văn này đƣợc thực hiện với các điều kiện sự méo ảnh nhỏ, không đáng kể (giả thiết này là hợp lý với các hệ xử lý ảnh công nghiệp với khoảng cách gần và vùng quan sát nhỏ, các thiết bị có độ chính xác cao).
3.2. Cánh tay robot điều khiển bằng thông tin chiết xuất từ ảnh.
Trong thực tế sản xuất công nghiệp có nhiều công việc đã đƣợc thực hiện tự động bằng các cánh tay robot. Chẳng hạn gắp các chi tiết máy trên một mặt phẳng để đƣa sang một công đoạn khác. Các chi tiết có nhiều hình dạng khác nhau; từ loại đơn giản nhƣ hình tròn (các vòng đệm, vòng găng, nắp máy,...), hình lục giác (đai ốc) hoặc hình vuông,... cho tới các hình dạng phức tạp. Trong nhiều trƣờng hợp của Tự động hóa quá trình sản xuất và Điều khiển tự động, các đối tƣợng hình dạng cứng cần nhận biết thƣờng đƣợc xác định bằng các sensor nhƣ sensor siêu âm, hồng ngoại. Các sensor siêu âm dễ bị nhiễu và thƣờng phải dùng 1 vài sensor phối hợp. Các sensor hồng ngoại không cho các thông tin về hình dạng. Trong trƣờng hợp này, sử dụng giải pháp ứng dụng xử lý ảnh để xác định đối tƣợng (chi tiết gia công) sẽ hiệu quả hơn so với dùng siêu âm và hồng ngoại.
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.2: a) Ốc máy b) Phụ tùng máy
Các camera sẽ thu ảnh của các chi tiết máy với các hình dạng khác nhau. Sau đó chƣơng trình xử lý ảnh sẽ xác định vị trí của các chi tiết máy rồi cung cấp các thông tin này cho máy tính điều khiển cánh tay robot đến đúng vị trí của chi tiết máy, gắp các chi tiết này di chuyển đến vị trí cần thiết khác của quy trình công nghệ gia công (hoặc lắp ráp).
Hình 3.3: Quá trình xử lý
Các bài toán: Các bài toán cần đƣợc giải quyết theo độ phức tạp tăng dần:
+ Tìm vị trí của chi tiết máy theo yêu cầu. Ví dụ tìm vị trí của chi tiết hình tròn, hình chữ nhật, hình lục giác, ...
+ Tìm vị trí của chi tiết xác định theo yêu cầu trong nhóm các chi tiết có hình dạng khác với chi tiết cần xác định vị trí và các chi tiết không chồng lên nhau. Ví dụ: Xác định vị trí của chi tiết hình tròn trong số các chi tiết có hình vuông, lục giác, ...
+ Tìm vị trí của chi tiết xác định theo yêu cầu trong nhóm các chi tiết có hình dạng khác với chi tiết cần xác định vị trí và các chi tiết có thể chồng lên nhau.
Thu ảnh từ camerra
Dùng xử lý ảnh tính ra các thông tin cần thiết.
Cung cấp thông tin cho máy tính điều khiển.
Tay robot
Camera
Mặt phẳng chứa chi tiết máy Máy tính công nghiệp
Cơ cấu chấp hành
Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.4: Cánh tay robot điều khiển bằng thông tin chiết xuất từ hình ảnh
Một quá trình thu ảnh đối tƣợng công nghiệp để xác định các thông tin dùng cho tay máy gồm các bƣớc nhƣ hình 3.5.
Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống điều khiển cánh tay robot
Trong hình 3.5 gồm các bƣớc:
Bƣớc 1. Thu ảnh: Sử dụng camera tốc độ bắt ảnh cao bắt ảnh đa cấp xám. Các bƣớc 2, 3, 4 thực hiện trên máy tính công nghiệp, trong đó:
Bƣớc 2: Làm tốt ảnh lên. Phân ngƣỡng để có ảnh nhị phân.
Bƣớc 3: Phân nhóm đối tƣợng: Trong vùng làm việc camera thu đƣợc có thể có nhiều đối tƣợng có hình dạng khác nhau; chẳng hạn có 2 nhóm một nhóm có hình tròn và một nhóm có hình chữ nhật (vuông). Trƣớc hết cần phân biệt hai nhóm này bằng biến đổi Hough.
Bƣớc 4: Tính toán vị trí các đối tƣợng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bƣớc 5: Sử dụng các thông tin để điều khiển cánh tay robot đến vị trí yêu cầu. Bƣớc 6: Kiểm tra xem cánh tay có đến đúng vị trí cần thiết không để điều khiển tinh chỉnh (nếu cần thiết). Sau đó thực hiện tác động (gắp đối tƣợng đến nguyên công tiếp theo)
3.3. Giới thiệu camera Eye-RIC
Điều khiển cánh tay robot Thu ảnh Tiền xử lý: Giảm nhiễu Phân ngƣỡng Phân biệt nhóm đối tƣợng cần tính toán Tính toán vị trí các