Vietnam Robotics Magazine, Robot, Robotics, Robocon, Thị trường robot, Nghiên cứu Robot

… Điều này khiến công ty rơi vào hoàn cảnh tiến thoái lưỡng nan: Hoặc phải thay 100 băng tải, hoặc duy trì sản xuất với thời gian chết của máy. Trong hoàn cảnh đó, ông Steven W. West, nhà quản lý triển khai robot dẫn hướng thị giác của Công ty ABB đã loại bỏ cả hai phương án của nhà sản xuất ôtô Đức và khắc phục sự cố bằng cách trang bị thêm hệ thống dẫn hướng thị giác 3D.

Hình 1. Robot dẫn hướng trong dây chuyền sản xuất

Ông cho biết: “Hệ thống dẫn hướng thị giác 3D không chỉ hỗ trợ robot xác định vị trí gia công vật liệu chính xác hơn mà chi phí lắp đặt cũng thấp hơn nhiều so với việc trang bị lại toàn bộ băng tải. Trước đây, dẫn hướng thị giác 2D thường được lắp đặt để tối ưu công suất cắt và tăng tính linh hoạt của robot cũng như toàn bộ hệ thống. Còn bây giờ, các nhà cung cấp robot và thị giác đã chuyển sang sử dụng hệ thống dẫn hướng thị giác 3D, để giải quyết những trở ngại mà 2D chưa xử lý được.”
Thực vậy, nếu robot không có hệ thống dẫn hướng thị giác, nó chỉ có thể di chuyển và gắp vật liệu đã được định vị và định hướng trong cùng vị trí X, Y dựa trên độ chính xác của băng tải cố định hoặc khay. Còn nếu robot được lắp đặt hệ thống thị giác, thị giác sẽ mang lại cho hệ thống những tính năng linh hoạt trong việc lắp ráp và vận chuyển vật liệu gia công đến robot. Ông Kevin Taylor-Giám đốc kỹ thuật Doanh nghiệp chế tạo ôtô Isra Vision Systems nói: “Với dẫn hướng thị giác 2D, các robot có thể xác định vị trí các bộ phận với ba bậc tự do: X , Y và quay quanh Z. Vì thế, các bộ phận lỏng lẻo được gắn trên bề ngoài mặt phẳng như băng tải sẽ hoạt động tốt hơn vì chúng có một vị trí hoạt động không tích cực. Với dẫn hướng thị giác 2,5D, hệ thống gia công sẽ được tăng thêm tính linh hoạt trong việc bổ sung thông tin cho quá trình lắp ráp sản phẩm, nên robot có thể tìm thấy sản phẩm gia công được định vị với bốn bậc tự do: X, Y, Z và xoay quanh Z. Do vậy, loại hệ thống này rất hữu ích cho palletizing và depalletizing trong trường hợp chiều cao của hộp không thể giám sát hai chiều qua máy ảnh phía trên. Còn với hệ thống dẫn hướng 3D, robot có thể xác định vị trí các sản phẩm gia công với sáu bậc tự do (sáu bậc tự do này bao gồm: X, Y, Z, độ lệch, bước răng, và chiều cao) và gắp sản phẩm từ container để vận chuyển tới các lớp bộ phận kẹp giữa tông lót. Đây là công việc khó thực hiện nếu không sử dụng hệ thống dẫn hướng 3D. Bởi độ võng hệ thống khiến vị trí bộ phận gần trung tâm tông lót thường bị nghiêng và cách xa trung tâm.”
Dẫn hướng thị giác 3D hữu ích hơn việc điều khiển robot di chuyển vị trí và lựa chọn vật liệu gia công, Taylor bổ sung. Hệ thống này có thể hiển thị vị trí robot đang lắp đặt bộ phận, hoặc hàn thiết bị. Tuy nhiên, công nghệ này cũng có những hạn chế. Nó không thể giám sát được những đối tượng không có hình dạng phù hợp. Ví dụ, nếu một bộ phận nghiêng hơn 30 độ trong X hoặc Y, hệ thống dẫn hướng có thể không thể nhận ra. "Đây chính là nhược điểm của hệ thống dẫn hướng 3D trong việc tìm các đối tượng không giống nhau, như bao khoai tây chiên hoặc bao tải hạt," ông West nói.

Hình 2. Công nghệ dẫn hướng 3D

Cạnh tranh công nghệ
Cuộc cạnh tranh về công nghệ hệ thống dẫn hướng thị giác 3D hiện nay đã giúp các doanh nghiệp sản xuất có thêm nhiều lựa chọn. Điển hình như:
Myriad là hệ thống công nghệ có sẵn dẫn hướng thị giác 3D. Tuỳ theo mục đích sử dụng, Myriad có thể sử dụng từ một đến bốn camera chụp hình đối tượng, hoặc dùng máy laser quét sản phẩm, tạo điểm xám cho mô hình CAD 3D, hay sử dụng thời gian di chuyển hình ảnh máy ảnh đo khoảng cách xung ngắn của ánh sáng điều biên. Ông West cho biết: “ Hệ thống camera của Myriad thực hiện nhiệm vụ tốt nhất với những sản phẩm có nhiều tính năng hình học. Còn hệ thống quét laser của Myriad thực hiện nhiệm vụ tốt nhất với những sản phẩm tĩnh có một vài tính năng hình học.”
TruView là hệ thống công nghệ của ABB, có khả năng cung cấp hình ảnh 2D, 2,5D và 3D mà không cần thay đổi phần cứng. Hệ thống này bao gồm máy ảnh và bộ chuyển đổi ánh sáng LED gắn trên robot. Để thu dữ liệu 3D, robot di chuyển đến vị trí thứ nhất và chụp hình bộ phận này. Tiếp đó, nó di chuyển đến vị trí khác và chụp hình ảnh thứ hai. Sau khi thu được hình ảnh của bộ phận từ hai vị trí khác nhau, thuật toán tính vị trí 3D sẽ so sánh hình dạng sản phẩm trong hai hình ảnh, để đưa ra thông tin chính xác nhất. "Hãy suy nghĩ về phạm vi," West giải thích. "Càng ở vị trí xa, hình ảnh nó càng nhỏ. Vị trí càng gần, hình ảnh thu được càng lớn. Nếu bạn định vị nó theo góc, nó sẽ trở thành một hình elip. "
3DL là hệ thống công nghệ đến từ Công ty FANUC Robotics America, thường được ứng dụng cho các thiết bị không có nhiều tính năng giao diện. Nó bao gồm một camera và một máy laser gắn vào robot hoặc tại vị trí cố định. Để thu thông tin định vị 3D, camera sẽ định vị bộ phận trong trục X, Y và xoay quanh Z, giống như hệ thống thị giác 2D, còn máy laser sẽ xác định độ lệch, bước răng và chiều cao bằng cách chiếu cặp ánh sáng giao nhau vuông góc với đối tượng. "Giao điểm của cặp đường giao nhau cho chúng ta Z," Steve Prehn, giám đốc sản xuất thị giác FANUC giải thích. "Nếu bề mặt chúng ta đang thấy có góc hướng tới camera, thì các đường thẳng giao nhau này sẽ  kéo dài theo hướng điều khiển giao điểm mặt phẳng. [Mối quan hệ toán học giữa đường thẳng và góc] cho chúng ta độ lệch và bước răng." Còn theo Prehn Normally, hình ảnh 2D của thiết bị phức tạp sẽ có hàng loạt tông màu xám tương ứng với những thay đổi theo chiều sâu giống như một khối động cơ. "Tuy nhiên, với một lượng lớn được đánh dấu bằng đường định mức, bạn khó có thể nhận dạng được những màu xám-cấp dữ liệu. Nhưng nó lại giúp chúng tôi tạo ra bản đồ chiều sâu của thiết bị", ông nói.
Hệ thống dẫn hướng thị giác 3D của FANUC là thiết bị ứng dụng cho automaker. Hệ thống này sử dụng sáu trục robot để gắn kết các bánh trục phía trước đến trung tâm. Nó có thể định vị đinh tán và xác định vị trí góc trung tâm bằng cách nghiêng robot và quay bánh trục phù hợp với vị trí của các trung tâm và đinh tán. Tuy nhiên, do sử dụng máy laser để thu dữ liệu 3D, nên hệ thống khó thấy được vị trí laser trên bộ phận phản chiếu mức độ cao và bộ phận trong suốt.
Phép đạc tam giác (triangulation) laser là công nghệ kế tiếp hệ thống dẫn hướng Ranger 3D đến từ Công ty SICK. Trong hệ thống này, laser chiếu vào đối tượng tại một góc xác định, để camera chuyên dụng ghi lại góc của ánh sáng phản chiếu. Sau đó, vị trí của các điểm dọc theo đường chiếu sẽ được tính qua phép đạc tam giác. Bằng cách di chuyển đối tượng qua đường chiếu hoặc di chuyển đường chiếu qua đối tượng, hệ thống có thể tạo ra hình chụp mặt nghiêng của sản phẩm. "Hệ thống đo hình chụp mặt nghiêng với tốc độ 35.000 lần / giây," ông Jim Anderson, Giám đốc sản xuất máy thị giác của Công ty SICK. "Mỗi cột của cảm biến camera có bộ xử lý riêng để tìm vị trí ánh sáng phản chiếu laser và nhanh chóng phản hồi lại. Một số tính toán được thực hiện trực tiếp trên chip, do đó, hệ thống của chúng tôi là rất bền vững."
Xác định chính xác, đặc biệt là ở các trục Z, là một thế mạnh của thuật toán phép đạc tam giác laser. Công nghệ này có thể được sử dụng để đo các bộ phận tại cùng một thời điểm mà nó xác định và định hướng vị trí. "Nó có thể vận hành khác nhau theo đối tượng, scan đệm hãm và so sánh với bộ phận tập tin 3D CAD", ông Anderson nói. Tuy nhiên, phép đạc tam giác laser không thể thực hiện tốt nhiệm vụ với vật liệu bóng và trong suốt.
Sự xuất hiện của thị giác 3D đã mở cửa cho các ứng dụng robot hấp dẫn khi liên kết mạch cảm nhận hồi tiếp và thực hiện nhiệm vụ phức tạp như lắp ráp và chèn thẻ mạch vào bo chủ mạch.