Thiết kế và phát triển robot mang camera ứng dụng xây dựng hình ảnh 3D

Nội dung text: Thiết kế và phát triển robot mang camera ứng dụng xây dựng hình ảnh 3D

1. Thiết Kế và Phát Triển Robot Mang Camera Ứng Dụng Xây Dựng Hình Ảnh 3D Design and Development of a Robot Carrying Camera for the Application in Creating 3D Image Nguyễn Hải Trung PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh Bộ môn Chế tạo máy - Khoa Cơ khí chế tạo máy Bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ khí chế tạo máy Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM trungckm@gmail.com thinhnt@hcmute.edu.vn Tóm tắt - Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế và thương phẩm lên website, đặc biệt là hình ảnh sản phẩm. Hiện nay đa mại điện tử, việc bán sản phẩm trên Internet có một bước phát số các website thường chỉ cung cấp hình ảnh 2D với các chi triển mạnh mẽ. Thương mại điện tử đã góp phần rất lớn vào tăng tiết không được rõ nét, chụp ở một vài góc độ, do vậy người kim ngạch xuất khẩu của Việt Nam trong những năm gần đây. Vì mua hàng rất khó có thể chọn được sản phẩm phù hợp. Một vậy, để thúc đẩy phát triển thương mại điện tử, cần có một trong những giải pháp tốt nhất là cung cấp giao diện ảnh 3D phương pháp để tương tác và giới thiệu sản phẩm của chúng ta xoay 3600, cho phép người dùng có thể xem từng chi tiết của cho tất cả các nước trên thế giới. Với mục tiêu đó, Robot chụp 0 sản phẩm ở bất kể góc độ nào. Tuy nhiên, các phương pháp ảnh sản phẩm 360 đã được thực hiện. Robot này có thể chụp tự động hàng loạt các tấm ảnh để tạo ra ảnh tương tác 3600 hoặc tạo ảnh 3D hiện nay còn thủ công tốn rất nhiều thời gian công hình ảnh 3D. Đây là một công nghệ giao tiếp hiện đại, thực tế và sức và tiền bạc. Vì vậy, cần thiết nghiên cứu thiết kế một robot 0 ấn tượng. Robot này mô phỏng các chuyển động như cánh tay chụp hình 3D tạo ra các sản phẩm ảnh ba chiều xoay 360 một con người, có bả vai, khuỷu tay và cổ tay. Bằng cách này, việc tìm cách hoàn toàn tự động nhằm tiết kiệm thời gian công sức tiền kiếm vị trí chính xác của camera là cực kỳ nhanh chóng và dễ bạc, tăng độ chính xác để thay thế cho con người làm các công dàng. Bài báo này sẽ mô tả về thiết kế cơ khí và điều khiển của việc có tính lặp đi lặp lại. robot chụp ảnh sản phẩm 3D. Bài toán động học và động lực học của robot cũng được thiết lập. Cuối cùng, thí nghiệm được thực hiện đánh giá đáp ứng của hệ thống điều khiển dựa trên bài toán II. THIẾT KẾ KếT CấU CƠ KHÍ ROBOT động lực học và động học để theo dõi quỹ đạo mong muốn. A. Phương án thiết kế Abstract - These days, along with the development of economics Theo nguyên lý chụp hình thủ công để tạo được ảnh 3D and e-commerce, selling products on the Internet have a big xoay 3600 thì người chụp hình phải di chuyển xung quanh đối impressed step. E-Commerce has greatly contributed to tượng để chụp lấy đầy đủ không gian ba chiều của sản phẩm ở increasing Vietnam’s export earnings in recent years. Therefore, các góc độ khác nhau. Vì vậy, theo nguyên lý đó thì để tạo ảnh to promote e-commerce development, need a method to interact 3D tự động chúng ta cần: and introduce our products to other countries all over the world. o Đầu tiên, một bàn xoay để đối tượng cần chụp. Bàn xoay With the goal, the 360 product photography robot was made. 0 This robot was designed to automatically capture a series of này có nhiệm vụ xoay vật 360 . photographs to create a 360o photo or 3D photo. This is a modern Thứ hai, một cánh tay robot mang camera giống như cánh communication technology, reality and strong impression. The tay con người, các khâu của robot sẽ kết hợp với nhau tạo một robot simulates the movements of the human arm, having a cung tròn để camera luôn hướng vào tâm đối tượng cần chụp shoulder, an elbow and a wrist. In this way, finding the right để lấy đầy đủ không gian ba chiều của vật. camera position is extremely quick and easy. This paper will Tiếp theo, kích thước của robot phụ thuộc kích cỡ của sản describe the mechanical design and control of a 3D product phẩm cần chụp. Nhóm lựa chọn bán kính từ camera đến đối photography robot. The kinematics and dynamics of robot are tượng là 400 – 1200 mm để chụp các vật có kích thước khác established. Finally, experiments were implemented to evaluate nhau. Vì phụ thuộc vào kích cỡ sản phẩm nên robot cần phải the responding of controlling system based on dynamics and kinematics controlling method for tracking desired trajectories. được điều khiển một cách linh hoạt để điều chỉnh được khoảng Keywords - robot, hình ảnh 3D, điều khiển robot , cách từ camera tới đối tượng để có được sản phẩm ảnh rõ nét không bị mờ. 0 I. GIỚI THIÊỤ Ngoài ra, theo nguyên lý để có được ảnh 3D xoay 360 là phải ghép các ảnh được chụp ở các góc độ khác nhau nên để có Vài năm gần đây, do sự phổ biến của Internet và các dịch tấm ảnh cuối cùng được rõ nét sẽ phụ thuộc số lượng ảnh cần vụ dựa trên nền tảng Internet có những bước phát triển mạnh chụp, do đó robot cần phải điều khiển được góc chụp để có thể mẽ, trong đó thương mại điện tử là một trong những lĩnh vực điều chỉnh số lượng ảnh cần chụp. mới mẽ và được rất nhiều doanh nghiệp quan tâm và đầu tư Từ những phân tích ở trên, dựa vào mục đích sử dụng và phát triển. Một trong những vấn đề tồn tại khi tham gia giao yêu cầu về không gian hoạt động thì cánh tay robot sẽ có dạng dịch mua sắm trên mạng là vấn đề cung cấp thông tin về sản sau:
2. pp pp cs x wx ; y wy ll 22 Bài toán động lực học [3] Dựa vào phương trình động lực học sẽ tính được mômen tức thời cần thiết để khớp robot có thể chuyển động được với tốc độ và gia tốc mong muốn. Một trong những phương pháp để giải bài toán động lực học là dùng phương pháp cơ học Lagrange. Động lực học khâu 1: d L L F 1  dt 1 1 11 I ml2   ml 2(     ) mll     s mll   c mll   2 s Hình 1: Cơ cấu robot c11 21142 22 1 2 212212 21212 21222 1  2  1 2   1 2    Hình 1 là cơ cấu robot được treo trên thanh đỡ gồm ba khâu m21222 l lc Ic 21 (   2 ) m 311 l  m 321 l (   2 ) m 331 l (   2  3 ) và liên kết với nhau bằng ba khớp xoay, camera được gắn ở 2 2 4 11 m l l (     )s m l l (       )c đầu công tác. 3 2 3 3 1 2 223 3 3 2 3 1 2 3 3 B. Bài toán động học và động lực học robot 1 m l l(2   )c m l l (2     )   s m l l (2       )c Bài toán động học thuận [1] 312 1 22 312 1 2222 313 1 2 323 Nội dung của bài toán động học thuận là nhằm thiết lập các 1   m3 l 1 l 3(2 1  2  3 )(  2  3 ) s 23 Ic 3 (  1  2  3 ) phương trình giải tích mô tả mối quan hệ về vị trí và hướng 2 11 1 của khâu chấp hành cuối đối với hệ tọa độ gốc của robot khi m1 gl 1 c 1 m 2 gl 1 c 1 m 2 gl 2 c 12 m 3 gl 1 c 1 m3 gl 2 c 12 m 3 gl 3 c 123 22 2 (3) cho trước giá trị của biến khớp, các thông số hình học và các Muốn cho khâu 1 quay được một góc θ thì động cơ phải thông số liên kết của các khâu. 1 tạo ra một lực tổng quát lớn hơn hoặc bằng F1. Động lực học khâu 2: d L L F 2  dt 22 1 1 1 (4) ml22(   ) mll     s mll   c I (     ) ml (     ) 422 1 2 2 212122 2 21212c 21 2 32 1 2 1 1 1 m l2 (     ) m l l (       )   s m l l (       )c 4331 2 3 3231 2 2 333 3231 2 2 33   11     m3 l 1 l 2 1c 2 m 3 l 1 l 21  2s 2 m 3 l 1 l 3  1c 23 m 3 l 1 l 3  1  2  3 s 23 22    11 Ic3  1  2  3 m 2 gl 2 c 12 m 3 gl 2 c 12 m 3 gl 3 c 123 22 Muốn cho khâu 2 quay được một góc θ2 thì động cơ phải tạo ra một lực tổng quát lớn hơn hoặc bằng F2. Động lực học khâu 3: Hình 2: Hệ tọa độ của cánh tay robot d L L F 3 dt  Hình 2 là mô hình hóa của một cánh tay robot với các hệ 33 (5) trục tọa độ đặt theo quy tắc Denavit-Hartenberg (DH). 11 m l2 (     ) m l l (     )   s Ma trận chuyển đổi từ hệ trục đầu đến hệ trục cuối: 42331 2 3 3231 233 11 c123 s 1230 l 1 c 1 l 2 c 12 l 3 c 123    m3 l 2 l 3( 1  2 )c 3 m 3 l 1 l 3  1 c 23 s c0 l s l s l s 22 0 0 1 2 123 123 1 1 2 12 3 123 11 AAAA3 1 2 3       m3 l 1 l 3 1()  2  3 s 23 Ic 3  1  2  3 m 3 gl 3 c 123 0 0 1 0 22 0 0 0 1 (1) Muốn cho khâu 3 quay được một góc θ3 thì động cơ phải tạo ra một lực tổng quát lớn hơn hoặc bằng F . Bài toán động học nghịch [2] 3 Từ những phân tích về chọn động cơ và cơ cấu truyền Nội dung của bài toán động học ngược là xác định giá trị động, người nghiên cứu đưa ra sơ đồ truyền động của cánh tay của các biến khớp để robot đạt được hướng và vị trí cho trước robot mang camera như sau: khi biết các thông số hình học và các thông số liên kết của các khâu, vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối với hệ tọa độ gốc của robot. 1 = Atan2(s1,c1) 2 = Atan2(s2,c2) 3 =  - - 2 (2) Trong đó, ()()llcp lsp llcp lsp 1 2 2wy 2 2 wx 1 2 2 wx 2 2 wy sc11 2 2; 2 2 pwx p wy p wx p wy p2 p 2 l 2 l 2 c wx wy 12;1 s c2 22ll 2 2 12 Hình 3: Sơ đồ động của robot
3. Hình 3 là sơ đồ truyền động của cánh tay robot gồm ba tâm khớp quay ở đầu khâu II đến tâm khớp quay đầu khâu III khâu được gắn trên giá cố định. Khâu một di chuyển được nhờ là 0,98 m, chuyển động nhờ vào bộ truyền xích gắn dọc theo vào động cơ M1 truyền qua bộ ly hợp 1 và bộ giảm tốc 2 thông thân khâu I nối với động cơ của nó. Ngoài ra để giảm tải trọng qua bộ truyền xích 3, khâu hai di chuyển được nhờ vào động của robot khi di chuyển thì khâu 2 được khoan các lỗ có đường cơ M2 truyền qua bộ ly hợp 4 và bộ giảm tốc 5 thông qua bộ kính ∅30 mm. Khâu III là tấm thép chữ L dùng để gá camera truyền xích 6. Khâu ba dùng để gắn camera di chuyển được được gắn trực tiếp với động cơ của nó nằm ở cuối khâu II. nhờ vào động cơ M3. Bàn xoay C. Thiết kế cơ khí cho robot Hình 6: Bàn xoay Hình 6 là bàn xoay có nhiệm vụ xoay vật 3600 để cánh tay robot lấy đầy đủ không gian ba chiều của sản phẩm, bàn xoay được chế tạo từ vật liệu thép các bộ phận được liên kết với nhau thông qua mối hàn, để tăng thêm độ cứng vững hàn thêm các gân chịu lực. Ngoài ra bàn xoay với đường kính bàn tròn là 800 mm được thiết kế có thể thay đổi được chiều cao từ 800÷1000 mm một cách linh hoạt thông qua bulông điều chỉnh, đáp ứng được việc chụp các vật có kích cỡ khác nhau như theo yêu cầu. Thêm nữa, đế của bàn xoay được gắn bốn ốc có thể điều chỉnh được giúp cho việc cân bằng dễ dàng hơn. Bàn xoay 0 Hình 4: Mô hình robot mang camera quay 360 nhờ vào động cơ truyền động qua bộ truyền bánh Hệ thống robot hình 4 gồm có 3 bộ phận chính: răng. + Cánh tay robot Khung đỡ Robot + Bàn xoay + Khung đỡ Cánh tay robot 4 2 1 5 Chú thích: 3 1. Hộp số 1 6 2. Động cơ 1 3. Động cơ 2 4. Khâu 1 7 5. Truyền động xích 6. Khâu 2 8 7. Động cơ 3 8. Khâu 3 Hình 5: Cánh tay Robot Hình 5 là cánh tay robot bao gồm có ba khâu, hoạt động như cánh tay của con người. Tất cả các khâu được chế tạo từ thép hộp dày 1,5 mm. Khâu I dài 1m, động cơ và hộp số của nó Hình 7: Khung đỡ Robot và khâu hai được gắn ở đằng sau khớp quay để tạo thành đối Hình 7 là khung đỡ robot với kích cỡ 1800 x 2500 mm trọng giúp giảm tải trọng cánh tay lúc hoạt động. Ngoài ra, toàn được cấu tạo từ các thép hộp chữ nhật dày 1 mm, chúng được bộ cánh tay robot treo trên trục của khâu I nên trục của nó được liên kết bằng cách hàn và ghép bulông đai ốc lại với nhau tạo đem đi tôi để tăng thêm độ cứng. thành một hệ rất cứng vững, dễ dàng tháo rời và thuận tiện khi Khớp quay của khâu I được gắn với khung đỡ thông qua di chuyển. Khung đỡ có nhiệm vụ đưa robot lên độ cao mong trục và bạc đạn. Khâu II có dạng chữ V (góc 1600) chiều dài từ muốn, đỡ và tạo sự vững chắc cho robot trong quá trình chuyển động. Vì toàn bộ robot được treo trên khung đỡ nên nó sẽ chịu
4. Phần mềm tải trọng rất lớn, do đó các thanh thép phải được liên kết chặt Thiết kế mô Chuyển đổi Lưu định VrmlPad Xử lý mô Cortona 3D Hiển thị mô hình trên dạng VRML hình hình 3D chẽ với nhau và để tăng độ cứng vững ta cần hàn thêm các gân Solidword chịu lực. Điều khiển mô Lập trình hình III. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT Visual Basic Hình 10: Sơ đồ chương trình mô phỏng hoạt động của Robot Cấu trúc của hệ thống điều khiển robot này là một hệ thống Hình 10 là sơ đồ chương trình mô phỏng hoạt động của robot, điều khiển phân bố, được cấu thành từ các bộ phận cơ bản mô hình này được tạo từ chương trình Solidwork và chuyển tương tự như máy tính bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và sang định dạng VRML (có đuôi .wrl). Trong đó, VRML bộ xuất/nhập kết hợp với màn hình để hiển thị các lệnh khi lập (Virtual Reality Modeling Language) là một định dạng tập tin trình và đồng thời theo dõi sự thay đổi tọa độ trong dịch được sử dụng trong việc mô tả thế giới thực và các đối tượng chuyển của các khâu. Toàn bộ các phần nói trên được bố trí đồ họa tương tác ba chiều. Phần mềm VrmlPad đọc file .wrl, bên trong tủ điều khiển chính và được sắp xếp theo từng mô chức năng chính của VrmlPal là nhận dạng file mô hình, cho đun gồm các bo mạch điện tử. phép ta xử lý mô hình hệ cơ cấu và cho xem trực tiếp kết quả Nguồn năng lượng mà không cần qua trình duyệt Internet. Sau đó mô hình được nhúng vào giao diện bằng phần mềm Cortona 3D Viewer. Máy tính điều Vi điều khiển RS 232 I2C (Inter Intergrated Circuit) khiển chính chính (Master) Công cụ Cortona 3D được cài tích hợp vào phần mềm Microsoft Visual Studio 2008, chức năng chính của công cụ này là một giao diện dùng để hiển thị mô hình hệ cơ cấu đã qua Vi điều khiển Vi điều khiển Vi điều khiển Vi điều khiển xử lý trên nền Form của Visual. Phần mềm Visual Studio đóng phụ 1 (Slave) phụ 2 (Slave) phụ 3 (Slave) phụ 4 (Slave) vai trò là cầu nối trung gian giúp file mô hình đã được xử lí ở phần mềm Vrml được tải lên trên giao diện Cortona3D thông Hình 8: Hệ thống điều khiển Robot [4] qua dòng lệnh khai báo. Hình 8 là sơ đồ khối hệ thống điều khiển các động cơ robot Sơ đồ điều khiển vị trí trong đó bộ điều khiển chính Master sẽ được lập trình, để xuất V NG ĐIỀU KHIỂN V T Í ĐIỀU KHIỂN HOME tín hiệu điều khiển được xử lý theo từng trường hợp cụ thể truyền tới các bộ điều khiển phụ Slave, để từ đó có thể điều Begin Begin khiển các động cơ tạo chuyển động cánh tay robot, kết quả động cơ quay theo tín hiệu điều khiển. Cập nhật ệnh Home? vị trí hiện tại VI ĐIỀU KHIỂN Tắt v ng điều khiển vị (SLAVE) Cập nhật trí a,V_set,S_set? Motor quay thuận Sai Đ MẠCH Sai Công tắc hành CÔNG SUẤT Cập nhật trình home=1 a, V_set, S_set CÔNG TẮC Đ HÀNH Tính V(k) ENCODER ĐỘNG CƠ TRÌNH D ng động cơ Đặt lại thông số vị trí Tính S(k) Bật v ng điều khiển vị trí Hình 9: Hoạt động vi điều khiển slave [4] Trong đó, mỗi vi điều khiển slave sử dụng PIC 16F887 có nhiệm vụ như hình 9: điều khiển vận tốc và vị trí cho động cơ PID END mỗi khớp thông qua mạch công suất; nhận tín hiệu hồi tiếp uất PWM Encoder trả về của động cơ đề xác định vị trí của biến khớp; ng ra nhận tín hiệu trả về của công tắc hành trình cơ khi bị tác động để từ đó xác định vị trí Home cho tay máy; giao tiếp máy tính ệnh qua cổng COM theo chuẩn RS-232 để thực hiện việc điều gửi lên PC ? khiển động cơ thông qua phần mềm được viết trên máy tính. Đ Sai Gửi data cho IV. GIAO DIỆN VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PC Đợi sự kiện Giao diện điều khiển ngắt tiếp theo Phần giao diện điều khiển có chức năng hỗ trợ người dùng giao tiếp với tay máy thông qua máy tính để điều khiển tay END máy, giao diện có hỗ trợ khả năng lập trình cơ bản cho tay máy Hình 11: Lưu đồ hoaṭ đôṇ g của vòng điều khiển vi ̣tri ́ làm một số công việc lặp lại. Trên giao diện có mô hình mô phỏng hoạt động của tay máy 3D, các module đi kèm. Ngoài V. KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM ra, mô hình 3D giúp cho việc biết trước được hoạt động của tay máy, và có khả năng thay thế cho tay máy thật trong việc học Sau quá trình tìm hiểu nghiên cứu và thiết kế người nghiên tập và nghiên cứu robot. cứu đã hoàn thành phần cơ khí và hệ thống điều khiển robot có kiểu dáng như hình 12.
5. Hình 12: Mô hình thực tế của robot Hình 14: Quỹ đạo di chuyển robot bán kính 1,2 m Sau quá trình chế tạo, robot sau khi hoàn thành có các thông Trong quá trình di chuyển kết quả cho thấy có một số khác số kỹ thuật cụ thể ở bảng 1 và vùng không gian hoạt động hình biệt nhỏ giữa quỹ đạo tính toán và đáp ứng thực tế như hình 14. 13 như sau: Nguyên nhân của sai số này có thể do sai số tích lũy qua các bộ Bảng 1 : Đặc tính kỹ thuật của robot truyền, các khớp, do khe hở các bộ truyền ăn khớp như ly hợp, STT Thông số kỹ thuật Mô tả bộ truyền xích làm cho việc di chuyển không ổn định và sai số 1 Số bậc tự do 3 do quá trình làm tròn trong tính toán bài toán động học. Cách 2 Tải nâng (kg) 2 0 khắc phục là sử dụng động cơ bước thay động cơ DC, chế tạo 3 Vận tốc góc lớn nhất khi quay ( /s) 1 phần cơ khí với độ chính xác cao hơn, có thể sử dụng bộ truyền 4 Tầm vươn (m) 1,2 đai thay cho xích 5 Sai số định vị (mm) 15 6 Kiểu truyền động Xích VI. KẾT LUẬN 7 Động cơ DC 8 Công suất động cơ (W) 4x100 Mặc dù trong quá trình robot di chuyển chụp sản phẩm thì 9 Khối lượng (kg) 42 thời gian di chuyển chậm và gây ra độ sai lệch tâm, nguyên nhân là do robot có trọng lượng lớn và cánh tay dài, sai số trong quá trình tính toán nhưng robot đã hoạt động tốt với sự chuyển động linh hoạt, di chuyển tới các điểm vị trí mong muốn và giúp camera luôn hướng vào tâm đối tượng để chụp các sản phẩm đáp ứng được yêu cầu bên doanh nghiệp đưa ra. Như vậy, qua quá trình thực nghiệm thì robot đã đạt yêu cầu đề ra và hoàn thành các nhiệm vụ đặt ra ban đầu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Saeed B. Niku, Introduction to Robotics Analysis, Systems, Applications, Prentice Hall, 2001. [2] Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật Robot, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004. [3] Jorge Angeles, Fundamentals of Robotic Mechanical Systems, Springer-Verlag New York, Inc, 2003. [4] John J.Craig, Introduction to robotics : Mechanics and Control 3rd Edition, Prentice Hall Xác nhận Hình 13: Không gian làm việc của robot Bài báo đạt yêu cầu khoa học Qua các lần thử nghiệm đánh giá về độ chính xác, độ lệch tâm, độ ổn định của robot và tiến hành chụp một số sản phẩm thì robot đã đáp ứng các yêu cầu cơ bản là các khâu robot di chuyển đồng thời với nhau giúp camera luôn hướng vào tâm vật. PGS. TS. Nguyễn Trường Thịnh
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.