Thiết kế hệ thống đóng gói hộp tự động sử dụng Robot Scara bốn bậc tự do

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHÍA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thế Vinh

MSSV: 20164692

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Kiễu

MSSV: 20166325

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Mạnh Tiến

MSSV: 20166831

Họ và tên sinh viên: Đào Văn Duy
MSSV: 20150596
Bộ mơn: Cơ Điện Tử
Viện: Cơ Khí
I/ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ
“Thiết kế hệ thống đóng gói hộp tự động sử dụng Robot Scara bốn bậc tự do”
II/ CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU

- Kích thước hộp đầu vào:
+ Chiều dài x Chiều rộng x chiều cao:
(50-150 mm) x (50-150 mm) x (50-100 mm)
- Khối lượng hộp: tối đa 1 kg
- Màu sắc hộp: xanh hoặc nâu
- Năng suất: 5 sản phẩm/phút
III/ NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TỐN
- Tổng quan
- Giới thiệu kết cấu phần cơ khí và hệ thống điều khiển
- Ứng dụng thuật tốn xử lí ảnh nhận diện mã QR
- Xây dựng thuật tốn xử lí ảnh xác định hướng của hộp
- Xây dựng thuật toán BinPacking 3D Online
IV/ CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ
- Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí (A0)
- Bản vẽ sơ đồ mạch điện (A0)
V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Thành Hùng
VI/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 02/10/2020
VII/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN: 27/01/2021
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Giảng viên hướng dẫn

Trang

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Đánh giá của giảng viên hướng dẫn
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Kết quả đánh giá
Họ và tên

Điểm

Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Thế Vinh
Lê Văn Kiễu
Nguyễn Mạnh Tiến
Đào Văn Duy

Trang

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Đánh giá của giảng viên phản biện
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

Kết quả đánh giá
Họ và tên

Điểm

Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Giảng viên phản biện

Nguyễn Thế Vinh
Lê Văn Kiễu
Nguyễn Mạnh Tiến
Đào Văn Duy

Trang

3

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

LỜI CẢM ƠN
Nhóm đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy/cô trong bộ mơn
Cơ điện tử đã tận tình chỉ bảo và tạo điều kiện để nhóm chúng em hồn thành đồ
án tốt nghiệp. Đặc biệt chúng em cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của giảng viên hướng
dẫn TS. Nguyễn Thành Hùng và giảng viên phản biện TS. Bùi Đình Bá đã ln
bám sát phân tích, giảng giải, chỉnh sửa và hướng dẫn nhóm trong suốt q trình
làm đồ án. Chúng em xin chân thành cảm ơn và chúc quý thầy/cô sức khỏe và công
tác thật tốt trong công việc, đặc biệt là trong lĩnh vực giáo dục hiền tài cho đất
nước.

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Hiện nay, Logistics là lĩnh vực rất được quan tâm do xu thế chuỗi cung ứng
toàn cầu và thương mại điện tử càng ngày càng phát triển. Sự phát triển của
Logistics đòi hỏi những nhà kho thơng minh, có tính tự động hóa và năng suất cao.
Thực tế ở Việt Nam hiện nay, các nhà kho vẫn được vận hành một cách thủ công,
sử dụng sức người là chính. Hàng hóa vẫn được phân loại, nhập xuất bằng tay. Từ
đó, năng suất của nhà kho thấp, gây tốn kém về thời gian và chi phí.
Trước tình hình đó, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài tính tốn thiết kế hệ
thống Robot nhập xuất kho tự động để thực hiện công tác nhập xuất hàng trong
kho. Nhóm đã xử dụng Microsoft Visual Studio kết nối với Arduino để điều khiển
cơ cấu, còn về bộ phận chấp hành nhóm dùng Băng tải kết hợp Robot Scara bốn
bậc tự do để thực hiện gắp vật.
Kết quả: Nhóm đã thiết kế được mơ hình hệ thống có tính thực tế và đạt
hiệu quả trong sắp xếp sản phẩm cụ thể là các gói hàng trong kho các doanh nghiệp
vận tải. Hệ thống giúp việc nhập xuất nhanh gọn có tính tự động hóa cao và được

quản lý chặt chẽ.
Hướng phát triển: Trong tương lai hệ thống có thể phát triển để tạo ra hệ
sinh thái giúp quản lý dữ liệu nhập suất trong các nhà kho chặt chẽ tiện lợi.
Sau q trình làm đồ án nhóm chúng em đã tích lũy được rất nhiều kiến
thức chun mơn như kỹ năng lập trình và điều khiển; các thuật tốn xử lí ảnh và
BinPacking 3D; kinh nghiệm thực tế; kỹ năng làm việc nhóm đồng thời nhóm lắm
bắt được xu hướng phát triển của nền công nghiệp hiện nay. Những kiến thức, kinh
nghiệm, kỹ năng này sẽ giúp nhóm rất nhiều trong tương lai.
Trang

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

NỘI DUNG
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................. 09
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... 10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI......................................................... 11
1.1

Giới thiệu về robot công nghiệp............................................................... 11
Sơ lược về q trình phát triển của robot cơng nghiệp ............. 11
Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất ............................. 13
Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp .................. 13
Phân loại robot công nghiệp ..................................................... 16

1.2

Tổng quan thuật toán BinPacking ............................................................ 17
Lịch sử nghiên cứu .................................................................... 17
Phân loại .................................................................................... 19
Ứng dụng ................................................................................... 19

1.3

Tìm hiểu về xử lý ảnh trong công nghiệp ................................................ 19
Lịch sử phát triển lĩnh vực xử lý ảnh ........................................ 20
Tính năng của xử lý ảnh ............................................................ 20
Ứng dụng của xử lý ảnh ............................................................ 22

1.4

Lý do chọn đề tài ...................................................................................... 22

1.5

Giới thiệu các thành phần của hệ thống ................................................... 23
Phần cơ khí ................................................................................ 24
Phần điều khiển ......................................................................... 25
Phần camera .............................................................................. 25

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG ....................................................... 26
2.1

Hệ thống cơ khí ........................................................................................ 26
Hệ thống băng tải ...................................................................... 26
Hệ thống robot Scara 4 bậc tự do .............................................. 27

2.2

Hệ thống điều khiển ................................................................................. 49
Sơ đồ hệ thống điều khiển......................................................... 49
Thành phần chính ...................................................................... 49

2.3

Thiết kế hệ thống điều khiển .................................................................... 55
Chọn luật điều khiển, thiết kế mơ hình điều khiển ................... 55
Mô phỏng bằng phần mềm Matlab ........................................... 58

CHƯƠNG 3. THUẬT TỐN XỬ LÍ ẢNH ..................................................... 64
Trang

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3.1

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Phần mềm................................................................................................. 64
Thư viện opencv ....................................................................... 64
Thư viện Zbar ........................................................................... 66
Giới thiệu về Winform Application .......................................... 68

3.2

Quét mã QR phân loại sản phẩm ............................................................. 68
Thuật toán xây dựng mã QR ..................................................... 68
Đọc mã QR ............................................................................... 72
Kết quả ...................................................................................... 75

3.3

Xây dựng thuật toán xác định hướng sản phẩm ...................................... 76
Đặt vấn đề và hướng giải quyết ................................................ 76
Sơ đồ thuật toán xác định hướng của một ảnh.......................... 77
Kết quả ...................................................................................... 83

CHƯƠNG 4. THUẬT TOÁN BINPACKING 3D ONLINE .......................... 84
4.1

Giới thiệu chung....................................................................................... 84

4.2

Hệ thống dữ liệu....................................................................................... 85
Mơ hình dữ liệu......................................................................... 85
Phân loại khơng gian` ............................................................... 86
Hệ thống dữ liệu ....................................................................... 86
Cơ chế sinh bộ dữ liệu .............................................................. 87

4.3

Thuật toán tổ chức và hiệu chỉnh hệ thống cơ sở dữ liệu ........................ 88

Thuật toán loại bộ dữ liệu khỏi hệ thống dữ liệu chính ............ 89
Thuật tốn thêm bộ dữ liệu vào hệ thống dữ liệu chính ........... 90
Thuật tốn hợp nhất các bộ dữ liệu chính ................................. 90
Thuật tốn sắp xếp bộ dữ liệu chính ......................................... 92
Thuật toán loại bộ dữ liệu khỏi hệ thống dữ liệu phụ ............... 93
Thuật toán thêm bộ dữ liệu vào hệ thống dữ liệu phụ .............. 94
Thuật toán hợp nhất bộ dữ liệu phụ với bộ dữ liệu chính......... 95

4.4

Thuật tốn tìm kiếm ................................................................................. 95

4.5

Thuật tốn BinPacking 3D Online ........................................................... 97

4.6

Kiểm nghiệm thuật tốn ........................................................................... 98

CHƯƠNG 5. MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ........................ 102
5.1

Giới thiệu mơ hình ................................................................................. 102
Phần cơ khí ............................................................................. 104
Phần điều khiển ....................................................................... 104
Trang

6

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Phần camera ............................................................................ 104
5.2

Kết quả thực nghiệm và đánh giá kết quả .............................................. 104
Kết quả thực nghiệm ............................................................... 104
Đánh giá kết quả ..................................................................... 105

KẾT LUẬN ....................................................................................................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 107

Trang

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các tọa độ suy rộng của robot .............................................................. 15
Hình 1.2 Quy tắc bàn tay phải ............................................................................. 15
Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của robot cơng nghiệp ................................................ 16
Hình 1.4 Robot ..................................................................................................... 17
Hình 1.5 Thu nhận ảnh, chụp ảnh và số hố ảnh ................................................. 21

Hình 1.6 Nâng cấp ảnh sử dụng xử lý ảnh ........................................................... 21
Hình 1.7 Nén ảnh và mã hố ảnh ......................................................................... 22
Hình 1.8 Thành phần của hệ thống xử lý ảnh cơng nghiệp ................................. 23
Hình 1.9 Chu trình xử lý ảnh ............................................................................... 24
Hình 2.1 Hệ thống băng tải .................................................................................. 26
Hình 2.2 Vùng làm việc của robot ....................................................................... 28
Hình 2.3 Phương án 1 robot Scara TRRR ........................................................... 28
Hình 2.4 Phương án 2 robot Scara RTRR ........................................................... 29
Hình 2.5 Hệ trục tọa độ trên robot ....................................................................... 30
Hình 2.6 Danh mục chọn ổ bi đỡ ......................................................................... 44
Hình 2.7 Danh mục ổ bi chặn .............................................................................. 44
Hình 2.8 Thơng số động cơ bước......................................................................... 45
Hình 2.9 Mơ phỏng khơng gian làm việc của robot ............................................ 46
Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển .................................................................. 49
Hình 2.11 Nguồn cơng suất ................................................................................. 50
Hình 2.12 Cảm biến tiệm cận .............................................................................. 50
Hình 2.13 Cơng tắc hành trình ............................................................................. 50
Hình 2.14 Cơ cấu chấp hành ................................................................................ 51
Hình 2.15 Hình ảnh giao diện điều khiển ............................................................ 52
Hình 2.16 Sơ đồ thuật tốn điều khiển ................................................................ 53
Hình 2.17 Basler ace-acA1300-300um ................................................................ 54
Hình 2.18 Thiết bị tính tốn chọn Lens ............................................................... 55
Hình 2.19 Basler Lens C125-1218-5M F1.8 ....................................................... 55
Hình 2.20 Mơ hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID .................................... 56
Hình 2.21 Mơ hình đối tượng điều khiển ............................................................ 57
Hình 2.22 Mơ hình hệ thống ................................................................................ 57
Hình 2.23 Mơ hình điều khiển PD + Lực ............................................................ 58
Hình 2.24 Khối phản hồi phi tuyến...................................................................... 60
Hình 2.25 Khối robot ........................................................................................... 61
Hình 2.26 Đồ thị vị trí và sai lệch vị trí các biến khớp ........................................ 62

Hình 3.1 Thêm các file header OpenCV.............................................................. 65
Trang

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Hình 3.2 Thêm thư viên OpenCV ........................................................................ 65
Hình 3.3 Thêm file thư viện OpenCV .................................................................. 66
Hình 3.4 Thêm thư viên Zbar ............................................................................... 67
Hình 3.5 Thêm thư viên Zbar ............................................................................... 67
Hình 3.6 Thêm thư viên Zbar ............................................................................... 68
Hình 3.7 Các Pattern của mã QR ......................................................................... 70
Hình 3.8 Khu vực thơng tin phiên bản. ................................................................ 71
Hình 3.9 Các sắp xếp các bit data ........................................................................ 72
Hình 3.10 Các bước quét mã QR ......................................................................... 74
Hình 3.11 Code xử lý ảnh .................................................................................... 75
Hình 3.12 Kết quả nhận diện mã QR ................................................................... 76
Hình 3.13 Sơ đồ thuật tốn xác định hướng của hộp ........................................... 77
Hình 3.14 Chuyển đổi ma trận đầu vào thành ma trận đầu ra ............................. 78
Hình 3.15 Các khả năng của biên......................................................................... 80
Hình 3.16 Kết quả xác định hướng của hộp ......................................................... 83
Hình 4.1 Mơ hình khơng gian .............................................................................. 85
Hình 4.2 Mơ hình dữ liệu mơ tả khơng gian ........................................................ 86
Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống dữ liệu chính ................................................................ 87
Hình 4.4 Sơ đồ hệ thống dữ liệu phụ ................................................................... 87
Hình 4.5 Cơ chế sinh bộ dữ liệu........................................................................... 88

Hình 4.6 Thuật tốn loại bộ dữ liệu khỏi hệ thống dữ liệu chính ........................ 90
Hình 4.7 Sơ đồ thuật toán thêm bộ dữ liệu vào hệ thống dữ liệu chính .............. 91
Hình 4.8 Sơ đồ thuật tốn hợp nhất các bộ dữ liệu chính .................................... 92
Hình 4.9 Thuật tốn sắp xếp bộ dữ liệu chính ..................................................... 93
Hình 4.10 Sơ đồ thuật toán loại bộ dữ liệu ra khỏi hệ thống dữ liệu phụ ............ 94
Hình 4.11 Sơ đồ thuật toán thêm bộ dữ liệu vào hệ thống dữ liệu phụ ............... 94
Hình 4.12 Sơ đồ thuật tốn hợp nhất bộ dữ liệu chính và bộ dữ liệu phụ ........... 96
Hình 4.13 Sơ đồ thuật tốn tìm kiếm ................................................................... 97
Hình 4.14 Sơ đồ thuật tốn BinPacking 3D Online ............................................. 98
Hình 4.15 Kết quả kiểm nghiệm 1 của mẫu thử 1 ............................................. 101
Hình 4.16 Kết quả kiểm nghiệm 2 của mẫu thử 1 ............................................. 101
Hình 5.1 Mơ hình robot ...................................................................................... 103
Hình 5.2 Kết quả xử lý ảnh ................................................................................ 105

Trang

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Số lượng robot sản xuất tại các nước công nghiệp............................... 12
Bảng 2.1 Tham số động học D-H của robot ........................................................ 30
Bảng 2.2 Các thơng số đầu vào cho bài tốn động lực học robot........................ 38
Bảng 4.1 Bảng kết quả kiểm nghiệm 1 ................................................................ 99
Bảng 4.2 Bảng kết quả kiểm nghiệm 2 .............................................................. 100

Trang

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu về robot công nghiệp
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật
điện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trị hết sức quan trọng trong mọi
lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp hóa tự động hóa, cung cấp thơng
tin… Do đó, chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm
góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự
phát triển của kỹ thuật tự động nói riêng. Xuất phát từ những lần được đi thực tập
trực tiếp tại nhà máy và cơ hội đi thăm quan tại các khu công nghiệp, chúng em đã
được thấy nhiều khâu tự động hóa trong q trình sản xuất. Một trong những khâu
tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là hệ thống phân loại sản phẩm.
Sơ lược về q trình phát triển của robot cơng nghiệp
Thuật ngữ “robot” xuất phát từ CH séc có nghĩa là cơng việc tạp dịch trong
vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở
kịch này, Rossum và con trai của ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống
con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng
chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con
người.
Đầu thập kỹ 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự động vạn
năng gọi là “Người máy công nghiệp”. Ngày nay người ta đặt người máy công
nghiệp cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người

được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật những robot cơng nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai
lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ
điều khiển số.
Các cơ cấu điều khiển từ xa đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới
lần hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xa. Người thao tác được tách biệt khỏi
khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc một vài cửa để có thể nhìn thấy
được công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của
người thao tác, nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong và hai tay cầm ở bên ngoài. Cả
hai tay cầm và bộ kẹp được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra
các vị trí và hướng tùy ý của tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp
theo chuyển động của tay cầm.
Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp
ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu
tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với
khả năng lập trình của máy cơng cụ điều khiển số.
Trang

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Một trong số những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot
versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này, ở Mỹ xuất hiện
loại robot Unimate (1990) được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô.
Tiếp sau Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất Robot công nghiệp: Anh
(1967), Thụy Điển và Nhật Bản (1968) theo bản quyền của Mỹ, CHLB Đức (1971),

Pháp (1972), Ý (1973), …
Tính năng của robot càng ngày càng được nâng cao nhất là tính năng nhận
biết và xử lý. Năm 1967, trường đại học Stanford (Mỹ) đã chế tạo mẫu robot hoạt
động theo mơ hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo
vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974, công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot
được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tommorrow Tool: cơng
cụ tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng lên tới 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 chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, cơng nghệ
lập trình và các phát triển trí khơn nhân tạo, hệ chun gia, …
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot
không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau
để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh
vực tin học – điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số
lượng robot ngày càng tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot cơng nghiệp
đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một số nước công nghiệp
phát triển như sau:
Bảng 1.1 Số lượng robot sản xuất tại các nước công nghiệp

Nước sản xuất Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998
Nhật

66.118

29.756

67.000

Mỹ

4.237

7.634

11.000

Đức

5.845

5.125

8.600

Ý

2.500

2.408

4.000

Pháp

1.448

1.197

2.000

Anh

510

1.086

1.500

Hàn Quốc

1000

1.200

Trang

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất
Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực
dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy, các dây chuyền sản xuất được tổ chức
lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần năng cao năng suất

dây chuyền cơng nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh
tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu
trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không biết mệt mỏi,
rất dễ dàng chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các mơi
trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, cảm thấy được cả từ trường và nghe được
cả siêu âm… Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc
thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi,
nhầm lẫn.
Trong ngành cơ khí, robot được 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 cơng nghiệp, các dây truyền đó đạt được mức tự động hóa, mức
linh hoạt cao. Ở đây, các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống
chương trình.
Ngồi các phân xưởng nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong
việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phịng,
trong chinh phục vũ trụ, trong cơng nghiệp ngun tử, trong các lĩnh vực xã hội….
Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn
khả năng của con người. Do đó, nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng
cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc năng nhọc và
độc hại. Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người, trong dây
chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng có thế làm ngừng hoạt động của cả dây
chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người.
Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp
a) Định nghĩa robot công nghiệp
Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR: Robot cơng nghiệp là cơ cấu chuyển
động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra
trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật
chất chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa

nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.

Trang

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Định nghĩa theo RIA: Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các
chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị
chuyên dùng thơng qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn
thành các nhiệm vụ khác nhau.
Định nghĩa theo GOCT 25686-85: Robot công nghiệp là một máy tự động,
được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống
điều khiển theo chương trình, có thể hồn thành các chức năng vận động và điều
khiển trong q trình sản xuất.
Có thể nói robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng
phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong
nhiều khả năng thích nghi khác nhau.
Robot cơng nghiệp có khả năng chương trình hóa linh hoạt trên nhiều trục
chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp được trang
bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác
định trong các q trình cơng nghệ, hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các ngun
cơng hoặc phục vụ các q trình công nghệ với những thao tác cầm nắm, vận
chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy
tự động linh hoạt, được 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.

b) Bậc tự do của robot (DOF: Degree of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một số cơ cấu (chuyển động quay
hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp
hành của robot phải đạt được số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ
cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo cơng thức:
5

𝑤 = 6𝑛 − ∑ 𝑖. 𝑝𝑖

(1.1)

1

Ở đây: n – số khâu động
𝑝𝑖 – số khớp loại I (i=1,2,3,4,5: số bậc tự do bị hạn chế)
Đối với các cơ cấu có các khâu khớp được nối với nhau bằng khớp quay
hoặc tịnh tiến 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 của các khớp động.
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một các tùy ý trong khơng
gian 3 chiều, robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và có thể
u cầu số bậc tự do ít hơn. Các robot hàn, sơn… thường yêu cầu 6 bậc tự do.
Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc cần phải tối ưu hoa quỹ
đạo, người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6.
Trang

14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

c) Hệ tọa độ (coordinate frames)
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp, tạo
thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ tọa độ trung
gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng. trong từng thời điểm
hoạt động, các tọa độ suy rộng gọi là hệ tọa độ suy rộng. Trong từng thời điểm
hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch
dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các tọa độ
suy rộng gọi là biến khớp (Hình 1.1).

Hình 1.1 Các tọa độ suy rộng của robot

Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay
phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lịng bàn tay, xịe 3 ngón:
cái, trỏ và giữa theo 3 phương vng góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và
chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục X và ngón giữa sẽ biểu thị
phương, chiều của trục y (Hình 1.2).

Hình 1.2 Quy tắc bàn tay phải

Trang

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Trong robot, ta thường dùng chữ O và chỉ số n đế chỉ hệ toạ độ gắn trên
khâu thứ n. Như vậy hệ toạ độ cơ bản (Hệ toạ độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký
hiệu là O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O 1, O2, …, On1. Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On.
d) Cấu trúc cơ bản của robot cơng nghiệp

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Phân loại robot công nghiệp
a) Phân loại theo kết cấu
Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiếu toạ độ Đe các,
Kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA như đã trình
bày ở trên.
b) Phân loại theo hệ thống truyền động
Các dạng truyền động phổ biến là:
- Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC: Direct
Current) hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động nay dễ điều khiển,
kết cấu gọn.
- Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được cơng suất cao, đáp ứng những
điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh,
tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiến.

Trang

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

- Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do khơng cần dẫn ngược
nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hiện nay, làm việc với cơng
suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt
động theo chương trình định sắn với các thao tác đơn giản “nhấc lên – đặt xuống”
(Pick and Place or PTP: Point To Point).
c) Phân loại theo ứng dụng
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot
lắp ráp, robot chuyển phơi .v.v…
1.2 Tổng quan thuật tốn BinPacking
Trong hệ thống nhà kho tự động, khi một sản phẩm được đặt vào thùng,
một vấn đề ln được đặt ra là tìm chỗ đặt sản phẩm trong thùng chứa. Hơn nữa,
vị trí đặt sản phẩm phải tối ưu để hạn chế số thùng chứa cần sử dụng. Vấn đề này
được biết đến với tên gọi BinPacking. Thuật toán BinPacking đưa ra cho chúng
ta phương án giải quyết vấn đề trên. Mục tiêu của thuật tốn là tối ưu hóa q trình
sắp xêp những đối tượng có kích thước khác nhau vào thùng chứa để đạt được số
lượng thùng cần sử dụng là ít nhất. Trong bối cảnh lĩnh vực logistics và thương
mại điện tử ngày càng phát triển, yêu cầu về thuật toán BinPacking ngày càng cấp
thiết. Trước xu thế đó, nhóm em nghiên cứu và xây dựng thuật tốn BinPacking
3D Online.

Hình 1.4 Robot

Lịch sử nghiên cứu
BinPacking là một vấn đề đã xuất hiện từ rất lâu. Nó xuất phát từ nhu cầu
sắp xếp đồ vật vào thùng chứa, rõ ràng, ta luôn mong muốn số thùng chứa cần
dùng là ít nhất. Thời kì đầu, thuật tốn BinPacking được vận dụng chủ yếu dựa
trên kinh nghiệm. Phương pháp kinh nghiệm cho ta những cách giải quyết đơn
Trang

17

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

giản, hiệu quả trong từng trường hợp cụ thể nhưng tính tổng qt hóa và tự động
hóa khơng cao.
Cuối thế kỷ 20, sản xuất và thương mại phát triển, nó phát sinh nhu cầu tự
động hóa ngày càng cao trong hệ thống kho bãi. Việc ứng dụng các hệ thống tự
động vào nhà kho làm cho yêu cầu giải quyết vấn đề BinPacking trở lên vơ cùng
cần thiết vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới năng suất hoạt động của nhà kho. Thời kì
này, các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu thuật tốn BinPacking để tạo ra
những thuật tốn có tính tự động hóa cao.
Năm 1978, Tinarelli và Addonizio cơng bố bài báo trình bày vấn đề tối giản
hóa số thùng vận chuyển hàng hóa.
Năm 1980, George và Robinson cơng bố bài báo mơ tả chi tiết thuật tốn
BinPacking với những loại hộp có kích thước khác nhau. Thuật tốn dựa theo cách
tiếp cận Wall-building. Theo đó, những hộp cùng loại được xếp hành một lớp theo
chiều rộng thùng chứa. Một lớp có thể có nhiều hơn một loại hộp nếu số lượng hộp
cùng loại khơng đủ lấp đầy lớp. Thuật tốn thể hiện cách xếp thơng dụng ở ngồi
thực tế.
Năm 1981, Liu và Chen cải tiến cách tiếp cận của George và Robinson bằng
cách thực hiện xoay hộp để tăng không gian trống ở các lớp.
Năm 1982, Bischoff và Dowsland công bố thuật toán mới dựa trên thuật
toán của Tinarelli và Addonizio. Thuật tốn này có 2 sự thay đổi so với trước: thứ
nhất, trong một lớp chỉ có một loại hộp; thứ hai, các hộp cùng lớp được xếp sao
cho không gian trống lớn nhất.
Năm 1989, Han, Knott và Egbelu nêu ra ý tưởng mới về cách tiếp cận Wallbuilding. Theo đó, các hộp trong một lớp được xếp thành khối chứ L chạy dọc theo
chiều dài và rộng của thùng chứa.

Năm 1990, Bischoff và Marriott công bố nghiên cứu về các phương pháp
kinh nghiệm. Thông qua nghiên cứu 14 phương án kinh nghiệm, họ nhần thấy rằng
kết quả của các phương pháp không tổng quát, phụ thuộc vào số loại hộp đầu vào.
Năm 1994, Mohanty, Mathur và Ivancic đưa ra phương án giải quyết vấn
đề BinPacking trong không gian 3 chiều. Phương án họ đưa ra dựa trên giải thuật
tham lam nên hiệu quả không cao và phụ thuộc đầu vào.
Năm 1995, Bischoff, Janetzz và Ratcliff phát triển mô hình thuật tốn mới
có độ ổn định cao. Hộp được xếp thành các lớp từ đáy lên đỉnh. Trong một lớp có
tối đa 2 loại hộp khác nhau. Việc lựa chon loại hộp trong một lớp phụ thuộc vào
bề mặt lớp đặt lên. Các nhà nghiên cứu đã phát triển và kiểm tra 3 thuật toán: thứ
nhất, hai loại hộp khác nhau đặt cùng một lớp; thứ hai, 2 loại hộp khác nhau đặt
cùng độ cao; thứ ba, mỗi lớp chỉ có một loại hộp. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng
thuật tốn thứ nhất có hiệu quả nhất nhưng sẽ giảm đi khi số loại hộp tăng lên.
Trang

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Năm 2000, Martello, Pisinger và Vigo đưa ra phương pháp branch-andbound để giải quyết vấn đề BinPacking. Phương pháp giải quyết tốt vấn đề với số
hộp từ 30 đến 50. Số hộp lớn hơn làm cho cách giải quyết khó khăn. Thêm vào đó,
phương pháp yêu cầu không được xoay hộp.
Phân loại
a) Phân loại theo đối tượng
- BinPacking 1D: chia một tập hợp các giá trị wi (khối lượng, chiều dài, …)
vào các nhóm con sao cho số nhóm con ít nhất và tổng giá trị trong một nhóm con
khơng vượt q giá trị nào đó.

- BinPacking 2D: sắp xếp đối tượng trên một miền phẳng 2 chiều sao cho
số miền nhỏ nhất.
- BinPacking 3D: sắp xếp đối tượng vào khối hộp ba chiều sao cho số hộp
cần dùng ít nhất.
b) Phân loại theo hoạt động
- BinPacking Offline: Tập hợp các hộp được cho biết trước. Thứ tự xếp các
hộp là tùy ý.
- BinPacking Online: Tập hợp các hộp không được biết trước. Thứ tự xếp
hộp theo thứ tự xuất hiện từng hộp. Quá trình xếp hộp hồn thành trước khi hộp
tiếp theo xuất hiện.
Ứng dụng
Thuật toán BinPacking được ứng dụng chủ yếu trong tối ưu việc sắp xếp đồ
vật vào thùng chứa. Ngoài ra, thuật tốn cịn được ứng dụng vào việc phân chia
nguyên vật liệu chia.
1.3 Tìm hiểu về xử lý ảnh trong công nghiệp
Xử lý ảnh là một phân ngành trong xử lý số tín hiệu với tín hiệu cần xử lý
là ảnh. Đây là một phân ngành khoa học mới phát triển trong những năm gần đây.
Tuy là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khác nhưng tốc độ phát
triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là
việc sản xuất các máy tính chuyên dụng riêng cho việc xử lý ảnh.
Xử lý ảnh là kỹ thuật áp dụng trong việc tăng cường và xử lý các ảnh thu
nhận từ các thiết bị như camera, webcam… Bao gồm 4 lĩnh vực chính: xử lý nâng
cao chất lượng hình ảnh, nhận dạng ảnh, nén ảnh và truy vấn ảnh. Sự phát triên
của xử lý ảnh mang lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sống của con người

Trang

19

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Lịch sử phát triển lĩnh vực xử lý ảnh
Các phương pháp xử lý ảnh bắt nguồn từ hai lĩnh vực ứng dụng chính: nâng
cao chất lượng ảnh và phân tích hình ảnh.
Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng hình ảnh trên báo
được truyền từ Luân Đôn đến New York từ những năm 1920. Vấn đề nâng cao
chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh.
Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955.
Điều này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh
tạo điều kiện cho q trình xử lý ảnh số được thuận lợi hơn.
Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng hình ảnh
mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh.
Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận
dạng ảnh phát triển không ngừng. Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng
nơ ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày
càng được áp dụng rộng rãi và thu được nhiều kết quả khả quan hơn.
Tính năng của xử lý ảnh
Đối với nhận thức của con người, hình ảnh là dạng thơng tin tốt hơn bất kỳ
dạng thông tin nào khác. Thị giác cho phép con người nhận thức và hiểu được thế
giới xung quanh của chúng ta.
Mục đích của xử lý ảnh và thị giác máy tính là giúp chúng ta có thể hiểu
được hình ảnh, phân tích hình ảnh bằng cách sử dụng điện tử (hay hiện nay là kỹ
thuật số) để sao chép khả năng của thị giác con người.
Các tính năng của xử lý ảnh:
-

Thu nhận ảnh, chụp ảnh và số hoá ảnh

Phân tích ảnh và thị giác máy tính
Mã hố, nén ảnh

Thu nhận ảnh, chụp ảnh và số hoá ảnh sử dụng các hệ thống chụp ảnh và
hệ thống lấy tín hiệu ảnh, cùng với các hệ thống số hoá ảnh (lấy mẫu, lượng tử
hố). Việc có một tấm hình từ máy ảnh là một quá trình vật lý, ánh sáng mặt trời
sẽ được lấy làm nguồn năng lượng chính. Một chuỗi cảm biến được dùng để thu
nhận hình ảnh. Do đó khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống vật thể thì lượng ánh sáng
phản xạ bởi vật thể đó sẽ được cảm biến bắt được rồi truyền tín hiệu điện áp liên
tục dựa trên những thơng tin mà nó nhận được. Sau đó ta chuyển các thơng tin
nhận được qua dạng kĩ thuật số (số hoá ảnh). Kếy quả của việc lấy mẫu và lượng
tử hố trong cơng đoạn số hoá ảnh sẽ tạo ra một mảng hoặc một ma trận 2 chiều
hay còn gọi là ảnh kỹ thuật số.

Trang

20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Hình 1.5 Thu nhận ảnh, chụp ảnh và số hố ảnh

Phân tích ảnh và thị giác máy tính giúp cải thiện nâng cấp ảnh, sửa lỗi, khơi
phục ảnh. Phân tách các đặc trưng ví dụ như tách biên ảnh, phân vùng ảnh. Biểu
diễn và xử lý đặc trưng hình dạng đối tượng ảnh. Nhận dạng đối tượng ảnh, phân
tích cảnh và hiểu cảnh.

Hình 1.6 Nâng cấp ảnh sử dụng xử lý ảnh

Cuối cùng là tính năng mã hố cũng như nén ảnh. Trong lĩnh vực xử lý ảnh
chúng ta thường phải đối mặt với một lượng lớn dữ liệu. Việc nén ảnh giúp giảm
đi lượng dữ liệu cần thiết để biểu diễn một bức ảnh kỹ thuật số, quy trình nén ảnh
nếu tái hiện lại đúng nội dung của ảnh cũ sẽ được gọi là lossless và ngược lại được
gọi là lossy. Việc mã hố ảnh sẽ đảm bảo khơng phải ai cũng có quyền truy cập
vào ảnh, ảnh sẽ chỉ được truy cập nếu người đó được cấp phép bộ giải mã. Chuẩn
mã hố thường dùng trong hình ảnh là đối xứng hoặc bất đối xứng. Mã hoá đối
xứng là khi khoá dùng cho mã hoá cũng như giải mã là giống nhau, ngược lại nếu
khố khác nhau cho hai quy trình thì gọi là mã hoá bất đối xứng.

Trang

21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Hình 1.7 Nén ảnh và mã hoá ảnh

Ứng dụng của xử lý ảnh
Hiện nay xử lý ảnh đã xuất hiện trong hầu hết mọi lĩnh vực, tác động trực
tiếp vào sự phát triển của các lĩnh vực đó.
- Thơng tin ảnh, truyền thơng ảnh
- Xử lý ảnh vệ tinh, viễn thám
- Thiên văn, nghiên cứu khơng gian, vũ trụ
- Người máy, tự động hố

- Máy thông minh, thị giác máy nhân tạo
- Sinh học, y học
- Giám sát kiểm soát, quân sự
- Nén video, truyền thơng video, truyền hình số
- Giám sát theo dõi phát hiện chuyển động
- Điều khiển lưu lượng chuyển động
- Người máy chuyển động
- Quốc phòng an ninh
1.4 Lý do chọn đề tài
Sự phát triển của khoa học kĩ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng
suất lao động. Đặc biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ chế tạo Robot nhằm
tạo ra sự tự động hóa trong quá trình sản xuất, giúp giảm đi sức lao động chân tay
của người lao động trước những công việc có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe, lặp
lại nhiều lần và đạt hiệu suất cao.
Từ thực trạng hiện nay, các kho hàng chủ yếu dùng sức lao động của con
người để bốc dỡ, sắp xếp hàng hóa có hiệu suất và tính quản lý khơng cao. Cũng
đã có một số dòng robot ra đời để cải thiện vấn đề trên. Tuy nhiên tính linh hoạt
Trang

22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

và tính năng cịn chưa cao. Chính vì lý do đó nhóm chúng em đã nghiên cứu về đề
tài thiết kế hệ thống robot Scara nhập xuất kho tự động ứng dụng xử lý ảnh và
thuật toán BinPacking.
1.5 Giới thiệu các thành phần của hệ thống

Hệ thống xử lý ảnh là công nghệ và các phương pháp được sử dụng để tự
động phân tích và kiểm tra dựa trên xử lý ảnh dùng cho các ứng dụng như kiểm tra
tự động, điều khiển quá trình, và dẫn hướng rơ bốt trong cơng nghiệp.
Các ứng dụng:
- Điều khiển quá trình.
- Điều khiển chất lượng.
- Các ứng dụng phi cơng nghiệp (ví dụ như điều khiển giao thông).
Một hệ thống phân loại sản phầm bằng xử lí ảnh gồm các thành phần:
- Phần cơ khí: hệ thống băng tải, động cơ servo đẩy phôi, khung chứa
camera, giá đỡ phần điều khiển.
- Phần hệ thống điều khiên: Máy tính xử lí hình ảnh, vi điều khiển, cảm
biến
- Phần camera: bao gồm camera, lens và các bóng đèn tạo ánh sáng
Mỗi thành phần có vai trị nhiệm vụ khác nhau, tuy nhiên đều bổ trợ cho
nhau để tạo thành một hệ thống hồn chỉnh.

Hình 1.8 Thành phần của hệ thống xử lý ảnh công nghiệp

Trang

23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Hình 1.9 Chu trình xử lý ảnh

Phần cơ khí

a) Chức năng
- Vận chuyển phơi bằng hệ thống băng tải (bao gồm băng tải và động cơ).
- Định vị vị trí phơi.
- Gắp thả sản phẩm bởi robot.
- Cố định camera để chụp ảnh phôi.
b) Cấu tạo
Phần cơ khí gồm các bộ phận chính:
- Băng tải.
- Robot Scara 4 bậc tự do

Hình 1.10 Mơ hình phần cơ khí

Trang

24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.Nguyễn Thành Hùng

Phần điều khiển
a) Chức năng
- Nhận ảnh từ camera xử lí ảnh bằng phần mềm chuyên dụng
- Điều khiển băng tải
- Điều khiển động cơ servo định vị sản phẩm
- Điều khiển robot gắp thả sản phẩm
b) Chức năng
Phần điều khiển bao gồm: Laptop, vi điều khiển.
- Laptop: Tích hợp phần mềm xử lí ảnh, nhận diện mẫu gửi từ camera.

- Vi điều khiển: Nhận lệnh từ laptop để điều khiển đẩy vật.
Phần camera
a) Chức năng: Thu nhận hình ảnh từ sản phẩm để truyền tới máy tính
b) Cấu tạo
Phần camera bao gồm:
- Hệ thống chiếu sáng (Ilummination): tạo môi trường ánh sáng để camera
có thể chụp được chính xác ảnh.
- Hệ thấu kính (lens): Lựa chọn chính xác hệ thấu kính để điều chỉnh
cho phép độ phân giải cà độ nét của ảnh tối ưu.
- Camera: thiết bị chụp ảnh, trong hệ thống có thể phối hợp nhiều camera.

Trang

25