nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot mang camera ứng dụng xây dựng hình ảnh 3d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HẢI TRUNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT MANG
CAMERA ỨNG DỤNG XÂY DỰNG HÌNH ẢNH 3D

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204

S KC 0 0 4 1 3 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HẢI TRUNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT
MANG CAMERA ỨNG DỤNG XÂY DỰNG HÌNH ẢNH 3D

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 605204
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: NGUYỄN HẢI TRUNG

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 26/10/1985

Nơi

sinh:

Bình

Định
Quê quán: Hoài Tân, Hoài Nhơn, Bình Định

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 614/53B, Tổ 6, Khu phố 1, Phước Long B, Quận 9, TP.HCM.
Điện thoại: 0979129356.
E-mail:
II.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo: từ 9/2004 đến 9/2009

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí
Minh
Ngành học: Công nghệ Tự động.
Tên luận án tốt nghiệp: Nghiên cứu so sánh các phần mềm CAM thông dụng hỗ trợ
các lớp tập huấn công nghiệp.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 7 năm 2009 tại Trường
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: TS Huỳnh Nguyễn Hoàng
III.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

9/2009 đến 4/2011

Công ty TNHH Việt Nam

Nhân viên thiết kế

Schréder

-i-


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kì công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 10 năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

- ii -


CẢM TẠ
Suốt quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận rất
nhiều sự chỉ dẫn, giúp đỡ và động viên quí báu của rất nhiều người, nếu không có
sự giúp đỡ của họ thì đề tài chắc chắn khó mà thành công như ý muốn. Thông qua
luận văn này tác giả gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những người có liên quan.
Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đối với Thầy Nguyễn Trường
Thịnh, người thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ cho tôi phương pháp nghiên cứu khoa
học, tận tình hướng dẫn và theo dõi sát sao tiến trình đề tài, từ đó đóng góp những ý
kiến kịp thời trong suốt quá trình nghiên cứu để thực hiện đề tài theo đúng tiến độ.
Tác giả chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô thuộc Khoa Cơ khí Chế tạo
máy trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã trang bị cho những kiến thức
chuyên môn và kinh nghiệm thực tiễn, tập thể học viên cao học khóa 2011 – 2013B
đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Bên cạnh đó, tác giả gửi lời cảm ơn đến tập thể các bạn sinh viên ở Open

Lab – trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giúp đỡ hỗ trợ tôi rất nhiều
trong việc thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tôi xin dành cho Ba, Mẹ và người thân trong gia đình những lời
tốt đẹp nhất, những người đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 10 năm 2013
Tác giả
Nguyễn Hải Trung

- iii -


TÓM TẮT
Nếu coi nhiếp ảnh là công cụ để tái hiện lại hiện thực thì ảnh 3D có thể coi là
một bước tiến so với ảnh 2D cũng như ảnh màu so với ảnh đen trắng. Hơn thế nữa,
khi quay tấm ảnh 3D ở các góc quan sát khác nhau, chúng ta còn cảm thấy vị trí
tương đối giữa các đối tượng trong ảnh thay đổi, hệt như khi người quan sát đi vòng
quanh vật thật. Có thể nói, hình ảnh 3D chính là giải pháp tốt nhất cho bạn giới
thiệu sản phẩm của mình đến gần hơn với người tiêu dùng. Tuy nhiên công việc tạo
ảnh 3D ở Việt Nam hiện tại còn mang tính thủ công tốn nhiều thời gian, công sức
và tiền bạc. Trong đề tài này, tác giả sẽ đề cập đến một robot mang camera chụp tự
động các đối tượng ở các góc độ được xác định trước để tạo ra hàng loạt các tấm
ảnh 2D, sau đó dùng phần mềm chuyên dụng để ghép các tấm ảnh này từ đó tạo một
ảnh tương tác 3D xoay 3600. Robot này gồm có ba khâu và ba khớp xoay, nhờ có ba
động cơ mà nó có thể di chuyển như cánh tay con người. Robot được lập trình hoàn
toàn tự động nhờ có sự trợ giúp của máy tính.

- iv -


ABSTRACT

If photography is considered as a tool to reconstruct realistic, 3D images can
then be seen as a step forward compared with 2D images as well as color photos
with black and white photos. Furthermore, when spinning 3D photos at different
angles, we still feel the relative position between objects in image changing, just as
observers go around the real thing. It goes without saying that the 3D image is the
best solution for you to introduce your product closer to the consumer. However,
creating 3D images in Vietnam is still handmade to take much time, effort and
money. In this subject, the author will mention a robot carrying the camera to
automatically shoot objects at different angles and create a series of 2D images, and
then use specialized software to join these images from which make an interactive
3D picture and rotate 3600. This robot consists of three linkages and three joints.
Thanks to three motors, it can move like human arms. Robot is programmed fully
automatically with the help of computers.

-v-


MỤC LỤC
Trang tựa
TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ............................................................................................................... i
Lời cam đoan ................................................................................................................... ii
Cảm tạ ............................................................................................................................ iii
Tóm tắt ........................................................................................................................... iv
Abstract ........................................................................................................................... v
Mục lục ........................................................................................................................... vi
Danh sách các hình vẽ .................................................................................................... ix
Danh sách các bảng ........................................................................................................ xi
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ............................................... Error! Bookmark not defined.

1.1 Đặt vấn đề .......................................................... Error! Bookmark not defined.
1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố. ............................................. Error! Bookmark not defined.
1.2.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ........ Error! Bookmark not defined.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .................... Error! Bookmark not defined.
1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước..................... Error! Bookmark not defined.
1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn........................... Error! Bookmark not defined.
1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài. ....................... Error! Bookmark not defined.
1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ..................... Error! Bookmark not defined.
1.6 Phương pháp nghiên cứu................................... Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ ROBOT.. Error! Bookmark not defined.
2.1 Phân tích và lựa chọn kết cấu robot ................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Yêu cầu kỹ thuật của robot .............................. Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của robot ........................ Error! Bookmark not defined.
2.1.3 Phương án đề xuất thiết kế cơ cấu tay máy ..... Error! Bookmark not defined.
2.1.3.1 Phương án 1 .................................................. Error! Bookmark not defined.

- vi -


2.1.3.2 Phương án 2 .................................................. Error! Bookmark not defined.
2.1.4 Chỉ tiêu đánh giá và chọn lựa cơ cấu: ............. Error! Bookmark not defined.
2.1.5 Tính toán chiều dài từng khâu: ...................... Error! Bookmark not defined.
2.2 Bài toán động học tay máy ................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Bài toán động học thuận .................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Bài toán động học ngược ................................ Error! Bookmark not defined.
2.3 Bài toán động lực học ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.4 Tính toán chọn công suất động cơ điện .............. Error! Bookmark not defined.
2.5 Tính toán chọn cơ cấu truyền động robot .......... Error! Bookmark not defined.
2.6 Thiết kế các bộ phận của robot .......................... Error! Bookmark not defined.

Chƣơng 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG ROBOTError! Bookmark not defined.
Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOTError! Bookmark not defined.
4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển .............................. Error! Bookmark not defined.
4.2. Thiết kế phần điện tử.......................................... Error! Bookmark not defined.
4.2.1 Bộ nguồn .......................................................... Error! Bookmark not defined.
4.2.2 Mạch cầu H ...................................................... Error! Bookmark not defined.
4.2.3 Mạch vi điều khiển trung tâm .......................... Error! Bookmark not defined.
4.3 Giải thuật và giao diện điều khiển ...................... Error! Bookmark not defined.
4.3.1 Điề u khiể n vi ̣trí và vâ ̣n tố c cho đô ̣ng cơ DC .. Error! Bookmark not defined.
4.3.2 Giao diện điều khiển ........................................ Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM ............... Error! Bookmark not defined.
5.1

Phần cơ khí ...................................................... Error! Bookmark not defined.

5.2

Phần điện tử ..................................................... Error! Bookmark not defined.

5.2.1 Bộ nguồn ........................................................ Error! Bookmark not defined.
5.2.2 Mạch cầu H .................................................... Error! Bookmark not defined.
5.2.3

Mạch vi điều khiển trung tâm ....................... Error! Bookmark not defined.

5.2.4

Tủ điều khiển ................................................ Error! Bookmark not defined.

5.3

Hệ thống điều khiển ......................................... Error! Bookmark not defined.

5.4

Giao diện điều khiển ....................................... Error! Bookmark not defined.

- vii -


5.5

Thực nghiệm ................................................... Error! Bookmark not defined.

Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN.. Error! Bookmark not defined.
6.1 Kết luận ............................................................. Error! Bookmark not defined.
6.2 Hướng phát triển ............................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................. Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC 1: Tính toán bộ truyền xích ......................... Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC 2: Tính toán bộ truyền bánh răng .............. Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC 3: Tập bản vẽ chi tiết ................................................................................ 70

- viii -


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 1.1 Bán hàng trực tuyến với hình ảnh 2D từ InternetError! Bookmark not defined.

Hình 1.2 Mô phỏng sự chập hình của hai mắt .............. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3 Hình ảnh phim 3D AVATAR ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4 Hình ảnh 3D của sản phẩm ............................ Error! Bookmark not defined.

Hình 1.5 Hình ảnh sản phẩm được chụp ở các góc độ khác nhauError! Bookmark not defined
Hình 1.8 Robotic Arm ................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6 Robot Vario .................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7 Robot Vario XL.............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1 Phương pháp tạo ảnh 3D mang tính thủ công Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2 Robot kiểu tọa độ cầu ..................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3 Cơ cấu dạng một ............................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4 Cơ cấu dạng hai .............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5 Vùng không gian hoạt động (V) của camera . Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6 Vùng không gian hoạt động (K) của robot cameraError! Bookmark not defined.
Hình 2.7 Không gian hoạt động của camera và robot ... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.8 Hệ tọa độ của Robot ....................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.9 Phân tích động lực học kết cấu ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.10 Sơ đồ động của robot camera ....................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.11 Mô hình Robot mang Camera ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.12 Cánh tay Robot ............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.13 Khung đỡ Robot ........................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.14 Bàn xoay....................................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1 Các đường dịch chuyển có thể xảy ra của một khâu robotError! Bookmark not defin
Hình 3.2 Đồ thị góc quay của các khớp theo t .............. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3 Quỹ đạo mong muốn của robot khi di chuyểnError! Bookmark not defined.

- ix -

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot ........... Error! Bookmark not defined.

Hình 4.3 Sơ đồ khối hoạt động vi điều khiển Slave trong RobotError! Bookmark not defined.
Hình 4.4 Sơ đồ khối tổng quát bộ nguồn ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.5 Mạch cầu H điều khiển chiều động cơ ........... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.6 Các modun của mạch điện điều khiển trung tâmError! Bookmark not defined.
Hình 4.7 Lưu đồ hoa ̣t đô ̣ng của vòng điề u khiể n vi ̣trí . Error! Bookmark not defined.

Hình 4.8 Sơ đồ xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động của RobotError! Bookmark not d
Hình 5.1 Thiết kế khâu 1 của robot ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.2 Thiết kế khâu 2 của robot ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.3 Khớp nối khâu 1 và khâu 2 ............................ Error! Bookmark not defined.
Hình 5.4 Thiết kế khâu 3 ............................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.5 Khớp nối khâu hai và ba ................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 5.6 Mô hình thực tế của robot camera.................. Error! Bookmark not defined.
Hình 5.7 Không gian làm việc của robot ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.8 Bộ nguồn 24V – 10A ..................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.9 Hình chụp mạch cầu H ................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.10 Hình chụp mạch vi điều khiển trung tâm ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.11 Tủ điều khiển và Panel điều khiển ............... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.13 Giao diện chính của Robot ........................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.14 Quỹ đạo di chuyển robot bán kính 1,2 m ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.15 Quỹ đạo di chuyển robot bán kính 0,7 m ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.16 Độ ổn định robot khi di chuyển bán kính 1,2 mError! Bookmark not defined.
Hình 5.17 Quá trình robot chụp sản phẩm máy tính ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 5.18 Kết quả mẫu chụp ở các góc độ khác nhau .. Error! Bookmark not defined.

-x-

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 2.2: Thông số khối lượng các bộ phận của robot ................................................ 27
Bảng 5.1: Đặc trưng của robot mang camera ................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.2: Bảng thông số kết quả thực nghiệm độ lệch tâm.......................................... 58

- xi -


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
Chương này sẽ trình bày về nhu cầu cấp thiết hiện nay của đề tài, mang lại
những lợi ích gì cho xã hội, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, tổng quan chung về lĩnh
vực nghiên cứu: về ảnh 3D, nguyên lý và các phương pháp tạo ảnh 3D. Nêu tình
hình nghiên cứu trong và ngoài nước từ đó đề xuất hướng nghiên cứu của đề tài,
nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu để giải quyết được nhiệm vụ đặt ra của đề tài.
1.1 Đặt vấn đề
Vài năm gần đây, do sự phổ biến của Internet và các dịch vụ dựa trên nền tảng
Internet có những bước phát triển mạnh mẽ, trong đó lĩnh vực kinh doanh online
hay là thương mại điện tử là một trong những lĩnh vực mới mẻ và được rất nhiều
doanh nghiệp quan tâm và đầu tư phát triển.
Tới thời điểm hiện nay, hàng ngày có hàng chục thậm chí hàng trăm website
thương mại điện tử mới ra đời càng làm cho thị trường nguồn cung trực tuyến ngày
càng phát triển nóng và song song với nó, nhu cầu mua sắm trên mạng cũng tăng
mạnh và trở thành thói quen phổ biến của người tiêu dùng và các tổ chức cơ quan,
doanh nghiệp.

-1-

Hình 1.1 Bán hàng trực tuyến với hình ảnh 2D từ Internet
Một trong những vấn đề tồn tại khi tham gia giao dịch mua sắm trên mạng là
vấn đề cung cấp thông tin về sản phẩm lên website, đặc biệt là hình ảnh sản phẩm
trưng bày trên trang web bán hàng. Hiện nay đa số các website bán hàng thường chỉ
cung cấp hình ảnh hai chiều như hình 1.1 với các chi tiết không được rõ nét, chụp ở
một vài góc độ, do vậy người mua hàng rất khó có thể chọn được sản phẩm phù hợp
nếu chỉ nhìn qua một số hình ảnh cung cấp trên website bán hàng.
Ngoài ra, nhược điểm lớn của môi trường trực tuyến là mọi người không thể
chạm vào và cảm thấy sản phẩm của bạn. Tuy nhiên, xem cận cảnh với những hình
ảnh chất lượng tốt ở nhiều góc độ vẫn có thể cung cấp cho người mua hàng những
cảm nhận gần giống như họ đang được sờ nắn một sản phẩm thực tế, và điều đó là
rất cần thiết cho những người mua hàng trực tuyến.
Một trong những giải pháp tốt nhất là cung cấp giao diện ảnh ba chiều xoay
3600 của sản phẩm, cho phép người dùng có thể xem từng chi tiết của sản phẩm ở
bất kể góc độ nào. Với giao diện ba chiều xoay 3600 cho phép hiển thị các hình ảnh
tương tác với khách hàng, họ chỉ cần sử dụng con chuột của mình để xoay tròn 3600,
dừng hình, phóng to, thu nhỏ, xoay chậm, xoay nhanh, chọn xem xét từng chi tiết
quan trọng, mọi góc cạnh của sản phẩm. Điều này giúp khách hàng có thông tin tốt

-2-


hơn để đưa ra quyết định mua sắm đúng đắn. Vì vậy, việc tạo ảnh ba chiều đối với
sản phẩm là nhu cầu cấp thiết đối với các cơ quan doanh nghiệp nhằm tiết kiệm thời
gian công sức và tạo lợi thế cạnh tranh, tăng doanh thu bán hàng.
Tuy nhiên, các phương pháp tạo ảnh ba chiều hiện nay còn thủ công tốn rất
nhiều thời gian công sức và tiền bạc nếu chụp với số lượng lớn mà độ chính xác lại
không cao. Vì vậy, với đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot mang camera
ứng dụng xây dựng hình ảnh 3D” để tạo các sản phẩm ảnh ba chiều xoay 3600

một cách hoàn toàn tự động nhằm tiết kiệm thời gian công sức tiền bạc, tăng độ
chính xác sẽ mang lại lợi ích to lớn cho con người.
1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu
trong và ngoài nƣớc đã công bố.
1.2.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Nếu coi nhiếp ảnh là công cụ để tái hiện lại hiện thực thì ảnh 3D có thể coi là
một bước tiến so với ảnh 2D cũng như ảnh màu so với ảnh đen trắng. Ảnh màu mô
tả thế giới chân thực hơn, đem lại nhiều thông tin hơn so với ảnh đen trắng nhờ màu
sắc. Tương tự, ảnh 3D tái hiện lại hiện thực tốt hơn ảnh 2D truyền thống do hiển thị
được đầy đủ ba chiều không gian của sự vật, giúp chúng ta định rõ được khoảng
cách về chiều sâu giữa các đối tượng. Hơn thế nữa, khi quay tấm ảnh 3D ở các góc
quan sát hơi khác nhau, ta còn cảm thấy vị trí tương đối giữa các đối tượng trong
ảnh thay đổi, hệt như khi người quan sát đi vòng quanh sự vật thật. Vì vậy, có thể
nói ảnh 3D là một công cụ xứng đáng hơn để các nhà nghệ thuật tái hiện lại thế giới.
3D (3-dimensional) ở đây được hiểu là không gian ba chiều. Các vật thể trong
không gian ba chiều được đặc trưng bởi ba thông số là chiều rộng, chiều cao và
chiều sâu. Con người chúng ta sống trong không gian vật chất, bằng thị giác của
mình, chúng ta nhận thức được các vật thể xung quanh chúng ta là các hình khối,
tức là hình ảnh ba chiều - 3D.
Nguyên tắc để tạo được hình ảnh 3D là phải xây dựng lại được một hệ thống
đánh lừa được đôi mắt, làm cho đôi mắt khi nhìn vào hình ảnh cảm nhận được ba
chiều như trong không gian 3D thực tế mà ta đang sống. Do đó việc tạo hình 3D

-3-


bao gồm hai yếu tố quan trọng nhất đó là hệ thống hình ảnh được tái dựng (ảnh,
phim) và thị giác hai mắt.
Khi quan sát xung quanh bằng mắt, có hai yếu tố làm ta cảm nhận được
chiều sâu hay khoảng cách, đó là sự điều tiết của thủy tinh thể và góc chập của hai

mắt. Ấn tượng chìm hay nổi của không gian và các đối tượng có được nhờ sự tổng
hợp của não bộ từ các hình ảnh ghi nhận đồng thời từ mắt trái và mắt phải. Nhờ
tiếp thu được thông tin từ hai góc nhìn khác nhau, thị giác hai mắt giúp chúng ta
định được khoảng cách xa gần và do đó, nhận thức được tính vô tận và liên tục của
ba chiều không gian.

Hình 1.2 Mô phỏng sự chập hình của hai mắt
Hình 1.2 cho thấy để nhìn rõ đối tượng thì hai mắt cùng phải hướng về đối
tượng, đó là sự hợp thị và ta có điểm hợp thị và góc hợp thị α. Mỗi mắt cũng phải
điều tiết hay lấy nét vào vật. Nhờ nhận thức của não bộ đối với góc chập α, ta có thể
ước lượng được khoảng cách h tới đối tượng.
Nguyên lý căn bản của hầu hết các thể loại hình ảnh nổi là sự mô phỏng thị
giác hai mắt đối với đối tượng sự vật. Nói cách khác, hiệu ứng 3D ở các loại ảnh nổi
đều giống nhau ở bản chất nhằm gửi đến mắt trái và mắt phải người quan sát một
cách tách biệt hai hình ảnh tương ứng với góc lệch bên trái và bên phải của đối
tượng. Nhờ sự chập ảnh vô thức của não bộ sẽ gây nên ấn tượng chìm hay nổi của
đối tượng sự vật. Đó là sự khác biệt lớn nhất đối với hình ảnh 2D truyền thống - khi
người quan sát dù đứng ở bất kỳ góc nào thì mắt trái và phải cũng chỉ nhìn thấy một
khuôn hình giống hệt nhau.

-4-


Ngoài ra, tùy thuộc vào độ phân giải mà hình ảnh sẽ có độ nét khác nhau. Độ
phân giải ảnh là số điểm ảnh (pixel) có trên một đơn vị chiều dài của hình ảnh đó.
Hình ảnh có độ phân giải càng cao thì càng sắc nét và màu sắc càng chính xác.
Nhưng khi đó, dung lượng file cũng sẽ tăng theo, đòi hỏi nhiều bộ nhớ hơn.
Hiện nay trên thị trường có ba phương pháp tạo ảnh 3D như sau:
Thu trực tiếp hình ảnh 3D bằng các máy ảnh 3D hay máy quay 3D chuyên
dụng. Các thiết bị này thường gồm hai ống kính để ghi lại hai hình ảnh trái và phải.

Kỹ thuật này đem lại hình ảnh với độ chân thực cao. Đây chính là phương pháp sử
dụng trong bộ phim 3D kinh điển AVATAR như hình 1.3.

Hình 1.3 Hình ảnh phim 3D AVATAR [10]
Dựng hình ảnh 3D bằng các phần mềm chuyên dụng. Hiện nay có rất nhiều
phim hoạt hình 3D nổi tiếng với chất lượng tuyệt vời, nó được xây dựng bằng các
phần mềm thiết kế đồ họa 3D chuyên dụng. Một số phần mềm dựng ảnh thông dụng
như 3DMax, CAD3D, Maya, VRML,...
Tạo ảnh 3D từ các bức ảnh 2D thông thường bằng các phần mềm nội suy
chuyên dụng. Đây chính là cách phổ biến tạo ra các bức ảnh hoặc các bộ phim bây
giờ. Kỹ thuật này thường dùng để tạo ra tranh hoặc ảnh 3D với chất lượng cao với
giá thành vừa phải. Nó được áp dụng ở đa số các tranh ảnh 3D hiện tại trên
thị trường. Có nhiều cách để tạo ra ảnh 3D bằng phương pháp này nhưng đều được
thực hiện qua ba bước:

-5-


Đầu tiên, xây dựng dữ liệu ảnh 2D đầu vào là một chuỗi gồm nhiều ảnh được
chụp đồng thời ở các góc chụp liên tiếp nhau theo một quy trình chụp đặc biệt nhằm
lấy được đầy đủ ba chiều không gian của sự vật.
Sau đó, tạo ảnh 3D bằng các phần mềm máy tính chuyên dụng.
Cuối cùng, in ấn hiển thị tranh, ảnh trình diễn tương tác 3D.
Vấn đề được đặt ra ở đây đó chính là tài liệu nghiên cứu ở thời điểm hiện tại
chỉ tập trung vào việc xử lý ảnh 2D có sẵn mà chưa có đề tài nào nói về việc tạo ra
chuỗi ảnh đó như thế nào.Vì vậy, cần thiết phải có đề tài nghiên cứu và tìm hiểu vấn
đề về việc tạo ra dữ liệu ảnh 2D đầu vào cho ảnh 3D.

Hình 1.4 Hình ảnh 3D của sản phẩm [11]
Hình ảnh 3D ở hình 1.4 này 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. Với những hình ảnh này cho phép người sử dụng có
thể xoay đối tượng đến 3600, phóng to hay thu nhỏ để xem mọi góc cạnh, chi tiết
của đối tượng một cách rõ ràng. Những hình ảnh này được ứng dụng để làm hình
ảnh quảng cáo sản phẩm cho Công ty, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, tạo lợi thế
cạnh tranh và nâng cao kết quả kinh doanh cho Công ty.
Thông thường theo tính toán để xoay được sản phẩm và quay tròn được nó
thì cần tối thiểu từ 12 đến 72 tấm ảnh như hình 1.5, điều này tùy thuộc vào độ phân

-6-


giải ảnh để cho tấm hình độ rõ nét tốt nhất cho người xem, tuy nhiên nếu số lượng
ảnh càng nhiều thì dung lượng sẽ càng lớn.

Hình 1.5 Hình ảnh sản phẩm được chụp ở các góc độ khác nhau [11]
Ngày này cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ ngày càng cao, các
Robot ngày càng được ứng dụng vào thực tiễn nhằm thay thế con người làm những
công việc đòi hỏi tính chính xác và ổn định lặp đi lặp lại, giúp nâng cao năng suất
lao động, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cũng như khả năng cạnh
tranh của sản phẩm tạo ra.
Vì vậy, đề tài này sẽ tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot
mang camera ứng dụng 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 với nhau để nhằm mục đích tạo ra tấm ảnh
tương tác 3D giúp người dùng có thể xoay đối tượng đến 3600 .
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
Theo tham khảo từ Internet thì hiện nay chỉ có một công ty hãng Fotorobot
của Cộng hòa Séc chuyên sản xuất các robot dạng này. Tùy theo phạm vi hoạt động

của robot để đáp ứng nhu cầu đối với từng loại sản phẩm khác nhau từ các sản
phẩm 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 thụ…),
cho tới những đối tượng có kích cỡ lớn (xe đạp, xe hơi, tủ lạnh, thiết bị nội thất, các
máy công nghiệp…) mà công ty đã cho ra đời ba loại robot để đáp ứng nhu cầu hiện
nay bao gồm:

-7-


Hình 1.8 Robotic Arm [11]
Hình 1.8 là Robotic Arm bao gồm một trụ đứng lớn, tay cầm giữ camera,
các kết nối vững chắc và ống trượt giữ camera được điều khiển bằng thủy lực giúp
đảm bảo hoạt động ổn định và tin cậy. Thích hợp cho việc mang những camera rất
nặng tới 6 kg. Robot này được sử dụng cho các sản phẩm như thiết bị điện tử và
điện thoại di động, giày dép và túi xách, đồng hồ, đồ trang sức và nước hoa, thủy
tinh, đồ dùng nhà bếp, đồ nội thất, các công cụ và máy xén cỏ, nhạc cụ, xe máy, đồ
thể thao, đồ chơi…

Hình 1.6 Robot Vario [11]

-8-


Hình 1.6 là Robot Vario sử dụng ba động cơ bước để di chuyển ba khâu của
cánh tay robot. Bằng cách này, nó có thể di chuyển một cách linh hoạt và việc tìm
vị trí chính xác của camera được thực hiện một cách dễ dàng và chính xác.Thêm
nữa, nó giúp tiết kiệm tiền trong việc mua thêm các thấu kính (lens) chụp từ xa, khi
cho phép lens tiếp cận gần đối sát đối tượng khi cần. Robot mang camera nặng
khoảng 5 kg. Robot này được sử dụng cho các sản phẩm như thiết bị điện tử và điện

thoại di động, hàng hóa và đồ chơi thể thao, giày và túi xách, đồng hồ và đồ trang
sức, nước hoa, kính và mỹ phẩm…

Hình 1.7 Robot Vario XL [11]
Hình 1.7 là Robot Vario XL, được xem như là anh hai của Robot Vario với
ba động cơ bước được thiết kế để mang lại những lợi thế tương tự, nhưng nó được
thiết kế để chụp cho những đối tượng có kích cỡ lớn hơn, phạm vi hoạt động là 240
cm và có khả năng mang camera nặng 5 kg. Nhờ khả năng xoay quanh đế được nên
robot này có thể đứng giữa phòng mà được bao quanh tới bốn vùng làm việc. Điều
này rất thuận lợi khi chụp thời trang trên những mô hình trực tuyến với các hoạt
cảnh khác nhau, giúp tiết kiệm thời gian. Hơn nữa robot này cũng có thể được sử
dụng trong các studio ảnh như một cần trục nâng máy ảnh một cách chính xác khi
các đối tượng được chụp nằm trên cao, điều này giúp tiết kiệm tiền trong việc mua

-9-


các thiết bị này. Robot này được sử dụng để chụp các ảnh về thời trang và quay
video.
Hiện nay, các ứng dụng về robot trong công nghệ tạo ảnh 3D ở nước ta hầu
như là không có. Nguyên nhân là các thiết bị này đều là ngoại nhập nên khá đắt
(Robot Vario XL giá khoảng 12600 euro), trong khi không có đơn vị nào trong
nước tổ chức nghiên cứu, thiết kế các thiết bị loại này. Do đó, việc thiết kế chế tạo
các robot dạng này phục vụ trong công nghệ tạo ảnh 3D trong nước là rất cần thiết.
1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Nguyên lý về thị giác hai mắt trong việc tái hiện hình ảnh nổi đã được biết đến
hàng trăm năm nay. Các tấm ảnh lật (flip) và ảnh nổi 3D dùng tấm vi thấu kính
dạng sơ khai nhất đã xuất hiện từ thập kỷ 70, bắt đầu từ Nhật Bản. Nhưng chỉ trong
những năm gần đây, khi kỹ thuật in ấn và số hóa phát triển vượt bậc, ảnh nổi 3D
mới đạt được chất lượng cao cũng như giá thành chấp nhận được với đa số người

tiêu dùng. Ảnh 3D đã có mặt ở khắp nơi trên thế giới, nhưng đặc biệt được ưa
chuộng tại châu Á. Ảnh 3D kích cỡ lớn hay ảnh 3D dịch vụ theo yêu cầu vẫn còn
khá mới mẻ. Cho tới hiện nay ở Việt Nam lĩnh vực này vẫn còn chưa phát triển do
chưa làm chủ công nghệ.
Ở Việt Nam, qua thời gian khảo sát thông tin tại các tạp chí và các hội nghị
quốc tế thì vẫn chưa tìm thấy bất kỳ nhóm, cơ quan nào tập trung đầu tư nghiên cứu
để chế tạo robot dạng này vào quá trình tạo ảnh 3D cho sản phẩm do giá thành cao
từ việc nhập khẩu thiết bị của nước ngoài, mặc dù khả năng ứng dụng của nó vào
thực tiễn để tăng tính cạnh tranh giữa các công ty là rất lớn. Ngoài ra, công nghệ tạo
hình ảnh 3D hiện nay ở Việt Nam còn mang tính thủ công, tốn rất nhiều thời gian,
công sức và tiền bạc mà hiệu quả lại không cao. Vấn đề đặt ra là cần có phương
pháp ít tốn kém mà mang lại hiệu quả cao hơn trong việc tạo ra hình ảnh 3D.
Việc ứng dụng robot vào trong công nghệ tạo ảnh 3D là yếu tố quan trọng cho
sự phát triển thị trường của các doanh nghiệp để đưa sản phẩm của mình đến người
tiêu dùng một cách nhanh nhất và hiệu quả nhất. Do đó, việc làm chủ công nghệ,
tiếp cận cùng với ứng dụng những công nghệ mới, hiện đại vào việc nghiên cứu

- 10 -


robot là việc làm khá cần thiết hiện nay của các nhà khoa học, làm sao ứng dụng
những công nghệ mới và tiên tiến để giảm giá thành sản phẩm, tăng năng suất, hiệu
quả, chất lượng sản phẩm là việc làm cấp thiết hiện nay.

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Hiện nay trên thế giới việc ứng dụng Robot trong việc xây dựng hình ảnh sản
phẩm 3D xoay 3600 đã được mở rộng và phát triển rộng rãi tạo lợi thế cạnh tranh,
mang lợi ích to lớn cho các doanh nghiệp. Tuy nhiên ở Việt Nam thì lĩnh vực này
vẫn còn mới mẽ, do chưa nắm vững được công nghệ, việc tạo ảnh 3D vẫn còn mang
tính thủ công tốn rất nhiều thời gian công sức mà hiệu quả lại không cao. Vì vậy,

việc đầu tư tập trung vào nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng Robot dạng này vào Việt
Nam là nhu cầu cấp thiết, mở ra những triển vọng mới để hoàn thiện những sản
phẩm dạng này trong tương lai mang lại lợi ích to lớn cho các doanh nghiệp tạo ra
sự khác biệt đối với các sản phẩm khác.
1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài.
Ngày nay, việc sử dụng hình ảnh 3D xoay 3600 mang lại lợi ích to lớn cho các
doanh nghiệp. Tuy nhiên, việc tạo các hình ảnh 3D này còn mang tính thủ công tốn
nhiều thời gian và công sức mà hiệu quả lại không cao. Vì vậy, nhằm giải quyết
hiện trạng trên thì mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot mang
camera tự động chụp các sản phẩm ở các góc độ khác nhau nhằm lấy không gian ba
chiều của nó để tạo ảnh tương tác 3D để thay thế con người làm những việc có tính
chất lặp đi lặp lại và độ chính xác cao sẽ mang lại lợi ích và hiệu quả kinh tế.
Từ vấn đề được nghiên cứu tìm hiểu các phần trên nên người nghiên cứu đã đặt
ra nhiệm vụ cho đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cánh tay robot mang
camera đến những vị trí chính xác để lấy đầy đủ không gian ba chiều của sản phẩm.
Tính toán và giải các bài toán về động học, động lực học, quỹ đạo chuyển động của
phần công tác để đưa ra các cơ sở lý thuyết điều khiển robot. Thiết kế hệ thống điều

- 11 -


khiển, lập trình cho robot và điều khiển robot với độ chính xác ở trong sai số cho
phép.
1.5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là một hệ thống cánh tay robot mang camera
để chụp sản phẩm ở nhiều góc độ khác nhau nhằm lấy đầy đủ không gian ba chiều
của nó.
Từ việc nhận thấy được một vài hạn chế của các quá trình gia công, lắp ráp, lập
trình, điều khiển và yêu cầu của bên đối tác doanh nghiệp nên phạm vi nghiên cứu
của đề tài được đưa ra là thiết kế, chế tạo cánh tay robot có thể nâng camera có khối

lượng khoảng 2 kg đến những vị trí chính xác để camera luôn hướng vào đối tượng.
Bán kính của cung tròn mà camera có thể thay đổi đến đối tượng trong một giới hạn
nhất định từ 400 – 1200 mm để đáp ứng trong việc chụp với những sản phẩm có
kích cỡ khác nhau. Bàn tròn đặt sản phẩm có đường kính 80 cm, chịu được tải là 15
kg. Kích thước đồ vật để chụp hình lớn nhất 700 x 700 mm và nhỏ nhất 100 x 100
mm.
1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu.
Để hoàn thành tốt mục tiêu đề ra của đề tài thì phương pháp nghiên cứu được
đưa ra là tìm hiểu những robot có liên quan trên thế giới về nguyên lý hoạt động
cũng như đánh giá xem khả năng đáp ứng so với đề tài. Sau đó tìm hiểu tham khảo
các tài liệu trong và ngoài nước: sách chuyên ngành, bài báo khoa học và thông tin
trên Internet… Tham khảo thêm ý kiến đóng góp của Giáo viên trong lĩnh vực liên
quan đến đề tài. Từ đó có được các nhận xét khái quát về việc lựa chọn cấu hình
cho robot, phương án truyền động. Tính toán các thông số, thiết kế chế tạo, mô hình
hóa và mô phỏng trên máy tính. Từ mô hình robot đó sẽ nghiên cứu thiết kế mạch
điện và lập trình cho robot có thể chuyển động tốt nhất. Sau khi hoàn thành tiến
hành đánh giá mức độ hoạt động của robot thông qua quá trình thực nghiệm.

- 12 -