BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

TRẦN THANH PHƢƠNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN
VÀ ỨNG DỤNG VÀO BÀI TOÁN
ROBOT DI CHUYỂN DỌC THEO HÀNH LANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Đồng Nai, Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

TRẦN THANH PHƢƠNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN BIÊN
VÀ ỨNG DỤNG VÀO BÀI TOÁN
ROBOT DI CHUYỂN DỌC THEO HÀNH LANG

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Mã số

: 60.48.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

bản luận văn.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ ii
MỤC LỤC .................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................... iv
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 .................................................................................................. 3
TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐƢỜNG ĐI .............................................. 4
1.1. Sơ lƣợc quá trình phát triển .................................................................. 4
1.2. Những ứng dụng điển hình của robot ................................................... 7
1.3. Một số định nghĩa .............................................................................. 13
1.4. Phân loại robot ................................................................................... 16
1.4.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động .............. 16
1.4.2. Phân loại theo thế hệ .................................................................... 19
1.4.3. Phân loại theo bộ điều khiển ........................................................ 23
1.4.4. Phân loại robot theo nguồn dẫn động ........................................... 24
1.5. Các kỹ thuật xác định đƣờng đi cho robot .......................................... 24
CHƢƠNG 2 ................................................................................................ 26
CÁC KỸ THUẬT TÌM ĐƢỜNG ĐI CỦA ROBOT ................................. 26
2.1. Giới thiệu về robot tự hành................................................................. 26
2.2. Kỹ thuật tìm đƣờng đi của robot ......................................................... 26
2.2.1. Kỹ thuật điều khiển bằng thiết bị cầm tay .................................... 26


2.2.2. Kỹ thuật dùng thiết bị cảm ứng .................................................... 27
2.2.3. Kỹ thuật dùng xử lý ảnh ............................................................... 27
2.2.3.1. Kỹ thuật dò biên .................................................................... 27

theo không gian ba chiều. ............................................................................ 10
Hình 1.8. Robot lắp ráp mạch in có hệ thống camera.................................... 11
quan sát đƣợc dùng để xác định vị trí chân trên bản mạch in ........................ 11
Hình 1.9. Robot đƣợc sử dụng trên máy ép nhựa .......................................... 12
để lấy thành phẩm. ....................................................................................... 12
Hình 1.10. Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc ................................ 17
và sơ đồ động học của robot toạ độ vuông góc. ............................................ 17
Hình 1.11. Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc ................................. 17
và sơ đồ động học của robot toạ độ trụ. ........................................................ 17
Hình 1.12. Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc ................................. 18
và sơ đồ động học của robot toạ độ cầu. ....................................................... 18
Hình 1.13. Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc ................................. 18
và sơ đồ động học của robot liên kết bản lề. ................................................. 18
Hình 1.14. Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc ................................. 18


và sơ đồ động học của robot dạng SCARA................................................... 18
Hình 1.15. Một dạng robot gắp đặt. .............................................................. 23
Hình 1.16. Một loại robot sơn ...................................................................... 23
thực hiện đƣờng dẫn liên tục ....................................................................... 23
Hình 2.1: Biên ảnh với kỹ thuật Laplace ...................................................... 35
Hình 2.2: Đạo hàm hàm Gauss theo hai hƣớng (x, y) ................................... 40
Hình 2.3: Mô hình các điểm biên lân cận ..................................................... 41
Hình 2.4: Biên ảnh theo phƣơng pháp Canny ............................................... 43
Hình 2.5. Ma trận 8-láng giềng kề nhau ....................................................... 44
Hình 2.6. Ví dụ về chu tuyến của đối tƣợng ảnh ........................................... 45
Hình 2.7. Chu tuyến trong, chu tuyến ngoài ................................................. 46
Hình 2.8. Đƣờng th ng Hough trong tọa độ cực ........................................... 54
Hình 3.1. Lƣu đồ tìm đƣờng đi cho robot ..................................................... 59
Hình 3.2. Cách xác định điểm đi tiếp theo cho robot .................................... 61

di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và
Robot cá nhân (Personal Robots). Với Robot phỏng sinh học, các nghiên cứu
thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là Robot đi (Walking robots) và
Robot dáng ngƣời (Humanoid Robots). Robot di động đƣợc nghiên cứu nhiều
nhƣ Xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự
hành dƣới nƣớc AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không
ngƣời lái UAV (Unmanned Arial Vehicles) [11].
Vừa qua, Công ty Cybertein Robots Limited của Anh đã chế tạo thành
công Robot Titan có khả năng nói chuyện, ca hát, nhảy theo nhạc, những cử
chỉ hành động khá nhanh nhẹn và linh hoạt rất giống con ngƣời đặc biệt robot
này di chuyển rất thông minh [12] [13].
Ở Việt Nam, các doanh nghiệp thiết kế và chế tạo cũng có nhiều sản
phẩm ấn tƣợng trên thị trƣờng quốc tế, trong đó phải nói đến Công ty Cổ phần
Robot TOSY. TOSY đã gây thƣơng hiệu bởi Robot đánh bóng bàn TOPIO
Ping Pong đƣợc trình diễn tại Hội chợ quốc tế Robot IREX 2009 ở Nhật Bản
năm 2009 [11].


2

Mặc dầu có nhiều công trình nghiên cứu về robot nhƣng các môn học
liên quan về robot đƣợc đƣa vào giảng dạy ở các trƣờng Đại học trong khoảng
20 năm trở lại đây. Việc điều khiển robot hầu nhƣ đều sử dụng cảm biến, tia
hồng ngoại, … khó khăn ở đây là mỗi cảm biến sẽ có các thông số kỹ thuật
khác nhau nên khi thay đổi cảm biến thì việc lập trình điều khiển cho robot
hầu nhƣ phải chỉnh sữa lại chƣơng trình, mặt khác khi bề mặt thay đổi thì kết
quả dò đƣờng đi của robot không còn chính xác nữa.
Xuất phát từ thực tế đó, luận văn lựa chọn đề tài “Nghiên cứu một số
phương pháp phát hiện biên và ứng dụng vào bài toán robot di chuyển dọc
theo hành lang”. Mục đích chính của đề tài là điều khiển robot bằng phƣơng

4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐƢỜNG ĐI
1.1. Sơ lƣợc quá trình phát triển
Thuật ngữ robot đƣợc sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân
xƣởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên ở trên NewYork vào ngày
09/10/1922 trong vở “Rossum‟s Universal Robot” của nhà soạn kịch ngƣời
Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch.
Những robot thực sự có ích đƣợc nghiên cứu để đƣa vào những ứng
dụng trong công nghiệp chính là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên
cứu Goertz đã chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm
đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tƣơng tự sử dụng cơ cấu tác động
là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz
tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo có thể nhận biết
lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng
General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy
biển.
Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc
hãng General Electric, chế tạo một thiết bị
biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m,
nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong
có công suất gắn 100 mã lực (hình 1.1)

Hình 1.1. Robot 4 chân của hãng R.S Mosher
và hãng General Electric


5


Trên hình 1.4 trình bày một robot là một cánh tay cơ khí khác xa với
robot R2D2, nhƣng đối với sản xuất nó mang lại lợi ích to lớn.

Hình 1.4. Robot lập trình được đầu tiên do George Dovol thiết kế


7

1.2. Những ứng dụng điển hình của robot
Robot đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những
ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn.
Một trong những công việc kém năng suất nhất của con ngƣời là rèn
kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi
có khối lƣợng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xƣởng. Việc tuyển dụng
công nhân làm việc trong môi trƣờng nhiệt độ cao nhƣ vậy là một vấn đề khó
khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã đƣợc sử dụng để
thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trƣờng ngặt nghèo nhƣ trong
lò đúc, xƣởng rèn, và xƣởng hàn. Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không
đáng sợ.
Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng
robot nhiều nhất: khung xe đƣợc cố định vào một xe đƣợc điều khiển từ xa di
chuyển khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng
vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn đƣợc
lập trình trƣớc (hình 1.5).

Hình 1.5. Robot hàm điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi .


8



Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối
hàn trong kỹ thuật hàn đƣờng nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại.
Những hệ thống hàn đƣờng thực tế (hình 1.6) phụ thuộc vào con ngƣời trong
việc kẹp chặt chính xác chi tiết đƣợc hàn, và sau đó robot di chuyển dọc theo
quĩ đạo đƣợc lập trình trƣớc. Ƣu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là chất
lƣợng mối hàn đƣợc ổn định. Ngƣời vận hành chỉ còn thực hiện một việc tẻ
nhạt là kẹp chặt các chi tiết. Có thể thực hiện tăng năng suất bằng cách trang
bị hàn định vị quay nhờ đó ngƣời vận hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong
khi thực hiện việc hàn chi tiết khác. Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong
việc lắp khít chi tiết do dung sai trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các
thiết kế cần lắp ghép theo đƣờng cong không đồng dạng. Các vấn đề đó làm
cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt là đối với các chi tiết lớn và lắp
tấm kim loại mỏng. Hơn nữa, đƣờng hàn có thể không xử lý đƣợc với mỏ hàn
vì nó bị che khuất bởi chi tiết khác. Thợ hàn tay phải xử lý khó khăn nhiều
loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau. Gần đây các nghiên cứu tập trung
vào phƣơng pháp dò vết đƣờng hàn với mục đích giảm bớt yêu cầu định vị
chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất lƣợng mối hàn lại tăng.
Cảm biến trang bị trên các robot hàn đƣờng phải có khả năng xác định
vị trí đúng của đƣờng hàn. Nhƣ vậy, để mối hàn đƣợc đặt chính xác, đúng yêu
cầu về hình dáng và kích thƣớc thì robot phải giữ điện cực theo hƣớng đúng
của đƣờng hàn với khoảng cách đúng từ đƣờng hàn đến đầu mỏ hàn và di
chuyển với tốc độ không đổi sao cho lƣợng vật liệu chảy vào mối nối không
đổi. Xác định đƣờng hàn cho các vật thể ba chiều thì phức tạp hơn cho các
tấm ph ng vi thƣờng cần phải mô hình hoá hình học để định ra đƣờng di
chuyển của robot. Hình 1.7 trình bày một robot có trang bị cảm biến laser để
dò đƣờng đi của đầu hàn. Thông thƣờng để đào tạo một thợ hàn bậc cao phải
mất nhiều năm, nhƣng việc đƣa robot vào sản xuất nhà máy tạo khả năng có



Hình 1.8. Robot lắp ráp mạch in có hệ thống camera
quan sát được dùng để xác định vị trí chân trên bản mạch in
Robot đƣợc sử dụng để tự động hoá quá trình lắp ráp trong những nhà
máy nhƣ thế. Khâu này tập trung nhiều lao động và khó hơn nhiều so với dự
tính. Ví dụ, cầm một cái mỏ hàn tay đơn giản và tháo nó ra từng phần. Có bao
nhiêu chi tiết? Có bao nhiêu cách lắp ráp nó? Bạn có thể lắp ráp nó bằng một
tay hay không? Bạn có thể nhắm mắt lắp đƣợc nó hay không? Bây giờ bạn
đang gặp phải sự giới hạn của robot. Sự phát triển của cảm biến và sự ứng
dụng nó vào robot là yếu tố quan trọng cơ bản để ứng dụng robot trong lắp
ráp. Lấy ví dụ, đầu mỏ hàn là một vật thể nhỏ, nên để lắp ráp nó chúng ta cần
tập trung mọi chi tiết lại, tìm vị trí và hƣớng lắp ráp cho từng chi tiết, lấy chi
tiết đầu tiên và đặt nó vào cơ cấu kẹp chặt, lấy một chi tiết nữa theo đúng thứ
tự và lắp vào chi tiết đầu tiên.
Việc lắp ráp còn liên quan đến nhiều xử lý khác nhau: đƣa một chi tiết
vào một chi tiết kia, đặt một chi tiết trên một chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết


12

vít, hay phun keo, v.v... Tuy nhiên, tuỳ trƣờng hợp cụ thể để quyết định có sử
dụng robot trong công đoạn lắp ráp hay không. Trong thực tế, khi sản phẩm
đƣợc thiết kế khéo léo thì ngƣời công nhân có thể lắp ráp sản phẩm trong một
thời gian rất ngắn.
(3) Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất
Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống đƣợc tự động
hoá hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả
năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu nhƣ ở đây không cần sự giúp đỡ
của con ngƣời trừ chƣơng trình điều
khiển trong máy tính điện tử. Chỉ với
vài ngƣời giám sát công việc; các

hàng đầu trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn nhƣ sau: “Robot công nghiệp là
những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chƣơng trình có những đặc điểm
nhất định tƣơng tự nhƣ ở con ngƣời”.
Định nghĩa của M.P.Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà
mở rộng ra cho nhiều đối tƣợng khác có những đặc tính tƣơng tự nhƣ con
ngƣời nhƣ là suy nghĩ, có khả năng đƣa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc
cảm nhận đƣợc đặc điểm của vật hay đối tƣợng mà nó phải thao tác hoặc xử
lý. Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V. và các nhà nghiên cứu thuộc
trƣờng phái khối SEV trƣớc đây thìphát biểu rằng:
“Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động đƣợc điều khiển
theo chƣơng trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tƣợng thao
tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”.


14

Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên ở đặc điểm “điều
khiển theo chƣơng trình”. Đặc điểm này của robot đƣợc thực hiện nhờ sự ra
đời của những bộ vi xử lý (microprocessors) và các vi mạch tích hợp chuyên
dùng đƣợc là “chip” trong những năm 70.
Không lâu sau khi xuất hiện robot đƣợc điều khiển theo chƣơng trình,
ngƣời ta đã thực hiện đƣợc những robot tự hành. Hơn nữa, với những bƣớc
phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, hiện nay ngƣời ta đã
sáng tạo nhiều robot cảm xúc và có khả năng xử lý thông tin. Do đó định
nghĩa robot cũng có những thay đổi bổ sung.
Nhật Bản hiện nay là nƣớc có số lƣợng robot dùng trong sản xuất
công nghiệp nhiều nhất thế giới, khoảng hơn 70% trong tổng số chừng
300.000 robot công nghiệp trên toàn thế giới. Ngƣời Nhật có quan niệm dễ
dãi hơn về robot: theo họ „robot là bất cứ thiết bị nào có thể thay thế cho lao
động của con ngƣời‟. Trong công nghiệp Nhật Bản, những robot hay tay máy

 Có những đặc điểm của ngƣời và máy.
Từ những khác biệt trong định nghĩa về robot, căn cứ vào tính linh
hoạt của những hệ thống sản xuất có áp dụng robot P.J.McKerrow, một nhà
nghiên cứu về robot của Úc đã đƣa ra một định nghĩa ở một góc độ khác.
Theo ông, robot là một loại máy có thể lập trình để thực hiện những công việc
đa dạng tƣơng tự nhƣ một máy tính, là một mạch điện tử có thể lập trình để
thực hiện những công việc đa dạng.
Các đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dƣới nhiều dạng khác
nhau; tiết kiệm sức ngƣời, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lƣợng sản
phẩm và an toàn lao động và giải phóng con ngƣời khỏi những công việc cực
nhọc và tẻ nhạt. Tất nhiên, trong tƣơng lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi


16

robot ngày càng thay thế các hoạt động của con ngƣời, nhƣng trong việc đem
lại lợi ích cho con ngƣời, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại
dƣơng, robot đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn. Trƣớc
khi đi vào phân tích những nội dung tiếp theo, để bạn đọc có sự nhận dạng
một cách thống nhất trong quá trình khảo sát, dƣới đây sẽ trình bày một số
phƣơng pháp phân loại robot sử dụng trong công nghiệp.
1.4. Phân loại robot
Trong công nghiệp ngƣời ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ
bản nhất của robot để giúp cho việc nhận xét đƣợc dễ dàng. Có 4 yếu tố chính
để phân loại robot nhƣ sau: (1) theo dạng hình học của không gian hoạt động,
(2) theo thế hệ robot, (3) theo bộ điều khiển, (4) theo nguồn dẫn động.
1.4.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động
Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối
tƣợng thao tác đƣợc cho trƣớc trong không gian làm việc cần phải có ba bậc
chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị (thƣờng dùng khớp tịnh