Ứng dụng thị giác máy tính trong hệ thống điều khiển cánh tay robot là bài toán khác hẳn kiểm tra ngoại quan. Camera ở đây không chỉ nói vật đạt hay không đạt, mà phải trả về vị trí và góc xoay để robot gắp trúng. Bài viết mô tả chuỗi xử lý từ camera tới bộ điều khiển, bốn yêu cầu kỹ thuật quyết định cụm chạy được hay không, và các dòng máy tính Advantech đáp ứng từng phần trong chuỗi đó.
Chuỗi xử lý của một cụm thị giác dẫn hướng
Một cụm thị giác dẫn hướng gồm năm bước nối tiếp nhau, lặp lại theo từng vật đi qua. Hiểu đúng năm bước này giúp khoanh vùng nhanh khi robot gắp lệch.
- Kích hoạt chụp. Cảm biến quang hoặc bộ mã hoá vòng quay của băng tải báo vật đã vào khung hình. Tín hiệu này vào máy tính qua ngõ vào ra số hoặc vào thẳng camera.
- Chụp ảnh dưới nguồn sáng cố định. Đèn chiếu bật đồng bộ với thời điểm chụp. Nguồn sáng thay đổi làm ảnh chụp khác nhau giữa các lần, và mọi bước sau đều sai theo.
- Xử lý ảnh trên máy tính. Máy tìm vật trong ảnh, xác định tâm và hướng của vật, đo kích thước nếu cần. Bước này chạy trên vi xử lý, có thể có mô-đun tăng tốc hỗ trợ.
- Chuyển sang toạ độ của robot. Toạ độ trong ảnh được đổi sang toạ độ cơ khí bằng phép chuyển đổi lập ra khi hiệu chuẩn tay và mắt.
- Gửi lệnh cho bộ điều khiển. Toạ độ và góc xoay đi tới bộ điều khiển robot qua đường mạng công nghiệp hoặc cổng nối tiếp, kèm mã lệnh gắp hoặc bỏ qua.
Điểm hay bị bỏ sót là bước bốn. Nhiều cụm chạy tốt trong phòng thử nhưng gắp lệch tại xưởng chỉ vì camera bị va chạm và xê dịch vài milimét so với lúc hiệu chuẩn. Vì vậy giá camera phải cứng vững và quy trình bảo trì phải có bước hiệu chuẩn lại định kỳ.
Bốn yêu cầu kỹ thuật quyết định cụm chạy được hay không
Bảng dưới liệt kê bốn yêu cầu mà mọi cụm thị giác dẫn hướng đều phải đáp ứng, cùng ảnh hưởng của chúng tới việc chọn máy tính.
| Yêu cầu | Vì sao cần | Ảnh hưởng tới cấu hình máy |
|---|---|---|
| Chiếu sáng ổn định | Ảnh khác nhau giữa các lần chụp làm kết quả xử lý dao động | Cần ngõ ra điều khiển đèn và ngõ vào kích hoạt chụp |
| Đồng bộ thời gian giữa các camera | Nhiều camera chụp lệch nhau thì ghép ảnh sai vị trí | Cần cổng mạng hỗ trợ chuẩn đồng bộ thời gian trên mạng |
| Băng thông cho luồng ảnh | Ảnh độ phân giải cao ở nhịp nhanh chiếm nhiều băng thông | Cần cổng mạng riêng cho từng camera, không dùng chung với mạng nhà máy |
| Ngân sách thời gian cho cả vòng | Nhịp băng tải quyết định thời gian tối đa cho phép | Cần vi xử lý đủ mạnh, ổ lưu trữ nhanh và đường ra tới robot có độ trễ thấp |
Yêu cầu thứ ba là lý do các máy tính thị giác công nghiệp có nhiều cổng mạng riêng cho camera. Nếu đấu camera vào chung bộ chuyển mạch của nhà máy, lưu lượng của các thiết bị khác sẽ làm rơi khung hình vào đúng lúc chuyền chạy nhanh nhất.
Máy tính Advantech cho từng phần của cụm thị giác
Bảng dưới xếp các dòng máy theo vai trò trong cụm, không theo sức mạnh vi xử lý. Cách xếp này sát với việc lập cấu hình thực tế hơn.
| Dòng máy | Vai trò trong cụm thị giác | Điểm quyết định khi chọn |
|---|---|---|
| AIIS-5410P | Máy chủ cụm, nhận thẳng nhiều camera | Bốn cổng mạng cấp nguồn cho camera, hỗ trợ chuẩn đồng bộ thời gian, có khe mở rộng PCIe |
| AIR-020 | Hộp xử lý gắn ngay cạnh camera hoặc trên xe tự hành | Thân rất nhỏ, có cổng bus thiết bị để nói chuyện với bộ điều khiển chuyển động |
| AIR-200-S92A1 | Máy biên chạy phần mềm thị giác viết cho nền x86 | Có mô-đun tăng tốc suy luận, chịu rung sốc theo tài liệu hãng |
| Máy hộp trong danh mục PC không quạt mạnh mẽ | Máy xử lý ảnh đặt trong tủ điều khiển | Chọn theo số cổng mạng, khe mở rộng và dải nhiệt tại vị trí đặt |
Với cụm chỉ có một camera và bài toán tìm vật theo hình mẫu, một máy hộp thông thường là đủ. Khi số camera tăng hoặc phải nhận dạng vật có hình dạng thay đổi, phần suy luận nên chuyển sang mô-đun tăng tốc như VEGA-330-02A1 để giữ vi xử lý rảnh cho phần điều khiển. Bản đối chiếu giữa máy thị giác và máy màn hình cảm ứng cùng phân khúc có tại bài so sánh AIIS-5410P và PPC-3120S.
Ví dụ gắp phôi đặt ngẫu nhiên trên băng tải
Một xưởng cơ khí cần robot gắp phôi thép nhỏ đổ ngẫu nhiên lên băng tải, đặt vào khay theo hướng cố định. Nhịp băng tải cho khoảng sáu trăm mili giây cho mỗi phôi.
Cấu hình dựng gồm một camera công nghiệp chụp từ trên xuống, một đèn vòng chiếu sáng đồng trục, một máy tính thị giác đặt trong tủ cạnh chuyền và một bộ mã hoá vòng quay gắn trên trục băng tải. Bộ mã hoá cho máy biết băng tải đã chạy được bao xa kể từ lúc chụp, nhờ đó robot gắp trúng dù băng tải không dừng.
Chuỗi thời gian được chia như sau: chụp và truyền ảnh khoảng vài chục mili giây, xử lý ảnh và tính toạ độ khoảng một trăm mili giây, gửi lệnh và robot di chuyển chiếm phần còn lại. Khi thời gian xử lý ảnh vượt ngân sách, hai hướng xử lý thường dùng là giảm độ phân giải vùng quan tâm hoặc chuyển phần suy luận sang mô-đun tăng tốc. Đổi sang máy mạnh hơn là hướng cuối cùng, vì tốn kém nhất.
Sau khi chạy ổn định, cụm này ghi lại ảnh của các lần gắp trượt để phân tích. Lượng ảnh lưu mỗi ca không nhỏ, nên cấu hình ổ lưu trữ phải tính từ đầu chứ không để lắp thêm sau.
Chọn máy cho cụm thị giác dẫn hướng robot
Sáu thông tin cần chuẩn bị trước khi lập cấu hình: số camera và độ phân giải mỗi camera, nhịp sản xuất tính bằng số vật mỗi phút, loại vật cần nhận dạng, đường truyền tới bộ điều khiển robot, nhiệt độ tại vị trí đặt máy và lượng ảnh cần lưu lại. Sáu thông tin này quyết định số cổng mạng, mức vi xử lý, nhu cầu mô-đun tăng tốc và dung lượng ổ.
Các bài toán kiểm tra ngoại quan không dẫn hướng robot được trình bày riêng trong bài thị giác máy tính trong sản xuất. Phần giải pháp phát hiện lỗi sản phẩm bằng camera công nghiệp có tại bài tương ứng trên IPC247. Nếu chưa chốt được nên dùng máy thị giác chuyên dụng hay máy hộp thông thường, chạy công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt rồi gửi kết quả kèm yêu cầu báo giá.
Câu hỏi thường gặp về ứng dụng thị giác máy tính
Thị giác máy dẫn hướng khác kiểm tra ngoại quan ở điểm nào?
Kiểm tra ngoại quan chỉ cần trả lời đạt hay không đạt, kết quả là một tín hiệu vào ra số. Thị giác dẫn hướng phải trả về toạ độ và góc xoay của vật trong hệ toạ độ của robot, tức là một bộ số thực gửi qua đường truyền dữ liệu. Yêu cầu về hiệu chuẩn và độ trễ vì thế chặt hơn nhiều.
Hiệu chuẩn tay và mắt để làm gì?
Camera nhìn ra toạ độ trong ảnh, còn robot làm việc theo toạ độ cơ khí của nó. Hiệu chuẩn tay và mắt là bước xác định phép chuyển đổi giữa hai hệ toạ độ đó bằng cách cho robot chạm vào các điểm chuẩn nằm trong khung hình. Thiếu bước này, robot vẫn nhận được toạ độ nhưng gắp lệch.
Vì sao dùng camera GigE có cấp nguồn qua dây mạng?
Camera loại này chỉ cần một sợi cáp mạng cho cả dữ liệu và nguồn, nên đi dây trong khung máy gọn hơn và ít điểm hỏng hơn. Máy tính thị giác có cổng mạng cấp nguồn sẵn thì không phải thêm bộ chuyển mạch cấp nguồn riêng trong tủ.
Độ trễ của cụm thị giác tính từ đâu tới đâu?
Tính từ thời điểm cảm biến báo vật đi vào khung hình cho tới thời điểm bộ điều khiển robot nhận được toạ độ. Khoảng đó gồm thời gian chụp, truyền ảnh, chạy mô hình và gửi kết quả. Nhịp băng tải quyết định ngân sách thời gian cho toàn bộ chuỗi này.
Có cần mô-đun tăng tốc AI cho cụm thị giác dẫn hướng không?
Không bắt buộc. Bài toán tìm vật theo hình mẫu và đo kích thước chạy tốt trên vi xử lý thông thường. Mô-đun tăng tốc cần khi phải nhận dạng vật có hình dạng thay đổi, phân loại nhiều chủng loại hoặc xử lý nhiều luồng camera cùng lúc.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
