Công việc của Robot được thực hiện bằng cách đo lường và điều khiển vị trí cánh tay, bàn tay của Robot cũng như vị trí của đối tượng. Ở những Robot tiên tiến, chúng còn được yêu cầu phải nhận dạng được đối tượng làm việc và nhận biết được sự thay đổi của môi trường. Chương này sẽ giải thích về chức năng của các cơ quan giác quan đóng vai trò quan trọng trong việc thực thi công việc của Robot và các loại cảm biến tiêu biểu.

2.1 Vai trò của chức năng giác quan

Để Robot thực hiện các công việc tương đương với con người, nó cũng cần có chức năng  giống con người. Cảm giác của con người bao gồm thị giác, xúc giác, thính giác, khứu giác, vị giác, cảm giác thăng bằng, v.v., mỗi loại được cấu thành bởi những cơ chế vô cùng tinh vi. Không phải tất cả những thứ này đều cần thiết cho Robot, mà tùy thuộc vào mục đích, môi trường làm việc, v.v., loại và mức độ cảm giác cần thiết sẽ khác nhau. Bảng 2.1 thể hiện các cảm giác chính của Robot. Nói chung, những cảm giác liên quan mật thiết nhất với Robot có thể nói là thị giác và xúc giác. Thị giác được sử dụng để phát hiện các tình trạng vĩ mô (macro) như nhận dạng đối tượng, vị trí, tư thế, v.v. Mặt khác, xúc giác được sử dụng để phát hiện các tình trạng vi mô (micro) như lực mà đối tượng chịu từ môi trường hay tình trạng bề mặt, v.v. Để làm cho Robot hoạt động, cần phải có Cảm biến ngoại giới (External state sensor / 外界センサ) để nắm bắt tình hình bên ngoài này, và Cảm biến nội giới (Internal state sensor / 内界センサ) để phát hiện trạng thái bên trong của chính Robot, ví dụ như góc khớp, vận tốc góc, mô-men xoắn khớp. Như vậy, vai trò của chức năng cảm giác được chia thành ba loại chính sau:

(1) Nhận dạng đối tượng và môi trường

(2) Đo lường các đại lượng vật lý như vị trí, tư thế của đối tượng và môi trường

(3) Đo lường trạng thái bên trong của Robot

Quá trình xử lý tín hiệu do mỗi cảm biến thực hiện có nhiều cấp độ khác nhau. Hình 2.1 cho thấy quá trình xử lý thông tin của cảm biến Robot. Tuy nhiên, không phải mọi cảm biến đều thực hiện toàn bộ quá trình này. Thông thường, cảm biến thị giác xử lý đến giai đoạn ④, nhưng đối với cảm biến góc khớp thì ở mức ① là đủ.

Bảng 2.1 Phân loại các cảm biến cảm giác chính của Robot

Trong việc điều khiển Robot, thông tin của từng cảm biến được sử dụng theo phân cấp như thể hiện trong Hình 2.2.

Lập kế hoạch công việc (Task planning / 作業計画) lên kế hoạch trình tự công việc, và Lập kế hoạch chuyển động (Motion planning / 運動計画) thực hiện việc lập kế hoạch quỹ đạo mục tiêu cho từng công việc. Trong điều khiển chuyển động, Điều khiển servo (Servo control / サーボ制御) được thực hiện sao cho Robot bám sát quỹ đạo mục tiêu được chỉ định từ kế hoạch chuyển động. So với thông tin từ cảm biến nội giới được sử dụng trong việc điều khiển chuyển động theo chu kỳ ngắn từ 10 μs ~ 50 ms, thông tin từ cảm biến ngoại giới thường được sử dụng ở giai đoạn lập kế hoạch chuyển động hoặc kế hoạch công việc theo chu kỳ dài từ 10 ms ~ 5 s. Khi yêu cầu một Robot có cảm biến lực ở cổ tay thực hiện công việc cắm chốt vào lỗ, trong khi công việc diễn ra suôn sẻ, đầu ra của cảm biến lực sẽ được phản hồi về điều khiển chuyển động. Tuy nhiên, khi phát hiện có lực bất thường, cần phải xem xét lại kế hoạch chuyển động hoặc xem xét lại chính công việc đó. Lúc này, đầu ra của cảm biến lực không chỉ ở giai đoạn đo lường đại lượng vật lý, mà còn được sử dụng để phán đoán tình trạng công việc, và phản hồi ngược lại cho việc lập kế hoạch chuyển động hoặc lập kế hoạch công việc.

Trên đây đã giải thích chung về chức năng cảm giác. Dưới đây sẽ giải thích về các cảm biến tiêu biểu.

2.2 Cảm biến nội giới (Internal state sensor / 内界センサ)

Cảm biến góc khớp (Joint angle sensor / 関節角度センサ) với tư cách là một cảm biến nội giới, là cảm biến bắt buộc phải có, và đối với Robot di động, v.v., cũng cần có thêm Cảm biến tư thế (Attitude sensor / 姿勢センサ). Sau đây sẽ trình bày tóm tắt về chúng.

≫ 2.2.1 Cảm biến góc khớp

Cảm biến phát hiện góc khớp của Robot có thể được phân loại thành Kiểu tuyệt đối (Absolute type / アブソリュート型) để phát hiện góc tuyệt đối và Kiểu tương đối (Incremental type / インクリメンタル型) để phát hiện góc tương đối. Có rất nhiều phương pháp phát hiện như thể hiện trong Bảng 2.2. Tại đây sẽ giải thích về Bộ mã hóa vòng quay quang học (Optical rotary encoder / 光学的ロータリエンコーダ) – một đại diện tiêu biểu của loại cảm biến này.

Bảng 2.2 Cảm biến góc khớp

Cấu tạo nguyên lý của bộ mã hóa vòng quay quang học kiểu tương đối được thể hiện trong Hình 2.3.

Bộ mã hóa được cấu thành từ một đĩa quay có khe hở, đĩa cố định, phần tử phát sáng, phần tử nhận sáng, v.v. Khi trục quay quay, lượng ánh sáng truyền qua các khe của đĩa quay và đĩa cố định sẽ tỷ lệ với tín hiệu sóng sin của Pha A (Phase A / A相) và Pha B (Phase B / B相) lệch pha nhau 90° như thể hiện trong Hình 2.4.

Tín hiệu sóng sin này được tạo hình sóng để tạo ra xung pha A và xung pha B. Hơn nữa, bằng cách lấy đạo hàm của tín hiệu xung, từ mối quan hệ giữa tín hiệu sườn lên và pha A, pha B sẽ phân biệt được dấu hiệu quay thuận hay quay nghịch. Cụ thể, tại thời điểm sườn lên của xung pha B, nếu xung pha A là 0 thì đó là quay thuận, nếu là 1 thì là quay nghịch. Hoặc tại thời điểm sườn lên của xung pha A, nếu xung pha B là 1 thì là quay thuận, 0 thì là quay nghịch. Bằng cách đếm số lượng xung đã phân biệt được, có thể tính toán được góc quay. Những bộ mã hóa độ phân giải cao với hơn 1 triệu xung mỗi vòng quay cũng đã được thương mại hóa.

Ở các Robot sử dụng cảm biến kiểu tương đối, do góc khớp hiện tại không rõ ràng tại thời điểm bật nguồn nên cần phải tiến hành thao tác tìm điểm gốc, và thường phải trang bị riêng một cảm biến góc để phát hiện điểm gốc của góc khớp. Vì vậy, để loại bỏ thao tác tìm điểm gốc này, có xu hướng người ta sử dụng bộ mã hóa kiểu tuyệt đối có thể phát hiện được góc khớp ngay khi bật nguồn. Hình 2.5 là một ví dụ về đĩa quay của bộ mã hóa kiểu tuyệt đối. Nó sẽ phát hiện góc hiện tại từ các dạng khe (slit pattern) trên đĩa quay.

≫ 2.2.2 Cảm biến tư thế (Attitude sensor / 姿勢センサ)

Thiết bị đo lường để phát hiện góc và Vận tốc góc (Angular velocity / 角速度) của vật thể được gọi là Con quay hồi chuyển (Gyroscope / ジャイロスコープ). Các phương pháp tiêu biểu để phát hiện Vận tốc góc là Con quay hồi chuyển rung (Vibratory gyroscope / 振動ジャイロ) sử dụng Lực Coriolis (Coriolis force / コリオリの力) về mặt cơ học, và Con quay hồi chuyển quang học (Optical gyroscope / 光ジャイロ) sử dụng sự giao thoa quang học. Ở đây, chúng tôi sẽ trình bày về Con quay hồi chuyển rung thường được sử dụng trong Robot.

Con quay hồi chuyển rung phát hiện tốc độ quay bằng cách lợi dụng hiện tượng Lực Coriolis (Coriolis force / コリオリの力) tác dụng lên một vật thể đang rung động khi nó bị áp thêm một tốc độ quay. Lực Coriolis $f_c$, như được thể hiện trong Hình 2.6 (a), là lực mà một vật thể có Khối lượng (Mass / 質量) $m$ đang chuyển động với Vận tốc (Velocity / 速度) $v$ phải chịu khi nó quay với Vận tốc góc (Angular velocity / 角速度) $\omega$, và

Ở đây, ký hiệu $\times$ biểu thị Tích có hướng của vectơ (Cross product / 外積) (xem Phụ lục B). Lực Coriolis tác dụng theo hướng vuông góc với cả Vận tốc (Velocity / 速度) và Vận tốc góc (Angular velocity / 角速度). Ở đây, lấy Bộ rung dạng âm thoa (Tuning fork vibrator / 音さ型振動子) được hiển thị trong Hình 2.6 (b) làm ví dụ, hãy giải thích Nguyên lý phát hiện (Detection principle / 検出原理) tốc độ quay sử dụng Lực Coriolis. Trong hình này, hệ tọa độ được thiết lập với cùng tư thế như hình minh họa Lực Coriolis trong Hình 2.6 (a). Trong trạng thái này, nếu làm cho hai phần tử rung của âm thoa dao động theo hướng trục $y$ tách rời nhau, do nguyên nhân từ tốc độ quay quanh trục $z$, Lực Coriolis sẽ phát sinh trên phần tử rung bên trái theo hướng $-$ của trục $x$ và trên phần tử rung bên phải theo hướng $+$ của trục $x$. Bằng cách phát hiện Mô-men (Moment / モーメント) tác dụng lên phần đế (hỗ trợ) của âm thoa dưới dạng hợp lực của các lực này, có thể phát hiện được Vận tốc góc (Angular velocity / 角速度) $\omega$. Lý do đặt hai phần tử rung hoạt động vi sai là để triệt tiêu ảnh hưởng của Gia tốc (Acceleration / 加速度) tác động lên chính âm thoa. Để phát hiện Vận tốc góc của 3 trục, chỉ cần bố trí ba âm thoa trực giao với nhau.

≫ 2.2.3 Cảm biến gia tốc (Acceleration sensor / 加速度センサ)

Phương pháp đo Gia tốc (Acceleration / 加速度) của vật thể thường có thể được phân thành 3 phương thức: Kiểu cơ học (Mechanical type / 機械式), Kiểu quang học (Optical type / 光学式), và Kiểu bán dẫn (Semiconductor type / 半導体式). Trong bất kỳ phương thức nào, nguyên lý cơ bản đều là nắm bắt sự thay đổi vị trí của Quả nặng (Weight / 錘) do gia tốc gây ra. Cảm biến gia tốc kiểu cơ học (Mechanical acceleration sensor / 機械式加速度センサ) nói chung sẽ đo Gia tốc bằng Lò xo cuộn (Coil spring / コイルばね) hoặc Bộ giảm chấn (Damper / ダンパー) như được thể hiện trong Hình 2.7.

Trong hình này, một Hệ dao động 1 bậc tự do (1-DOF vibration system / 1自由度振動系) bao gồm Khối lượng (Mass / 質量) $m$, Hệ số đàn hồi (Spring constant / ばね定数) $k$, và Hệ số cản nhớt (Viscous damping coefficient / 粘性減衰係数) $c$ được gắn vào một vật thể chuyển động. Gọi $x$ là Chuyển vị (Displacement / 変位) của vật thể chuyển động và $y$ là Chuyển vị của khối lượng $m$ so với vật thể chuyển động, phương trình chuyển động của hệ được biểu diễn là

Ở đây, nếu đặt $\omega_0 = \sqrt{k/m}$ và $\zeta = c/(2\omega_0m)$, đồng thời lấy các ký hiệu của $y$ và $\ddot{x}$ sau Biến đổi Laplace (Laplace transform / ラプラス変換) lần lượt là $Y(s)$ và $A(s)$, ta có

Phương trình này thể hiện Đặc tính truyền đạt (Transfer characteristic / 伝達特性) của phần tử trễ bậc 2, chỉ ra rằng Tần số góc cộng hưởng (Resonance angular frequency / 共振点角周波数) là $\omega_0$ và Đặc tính giảm chấn (Damping characteristic / 減衰特性) là $\zeta$. Trong phạm vi $\omega \ll \omega_0$, có thể đo được Gia tốc, nhưng ngoài phạm vi đó, sẽ xuất hiện sai số lớn với tư cách là thiết bị đo. Nhìn chung, Cảm biến gia tốc kiểu cơ học có xu hướng làm Khối lượng quán tính (Inertial mass / 慣性質量) trở nên lớn, do đó không phù hợp để đo lường trong vùng Tần số cao (High frequency / 高周波数域).

Cảm biến gia tốc kiểu quang học (Optical acceleration sensor / 光学式加速度センサ) được sử dụng để truyền đạt sự thay đổi vị trí do Gia tốc sinh ra bằng phương pháp quang học, và cuối cùng được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua cảm biến quang. Có nhiều loại cho phương thức này, ví dụ như kiểu sợi quang FBG (Fiber Bragg Grating / FBG光ファイバ式), nó phát hiện sự thay đổi bước sóng bằng cách lấy Gia tốc tác dụng lên quả nặng làm lực căng tác dụng lên sợi quang FBG.

Kiểu bán dẫn (Semiconductor type / 半導体式) là loại sử dụng công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems / MEMS技術), và việc sử dụng nó đang lan rộng nhanh chóng. Các loại hình bán dẫn bao gồm Kiểu điện dung (Capacitance type / 静電容量型), Kiểu áp điện bán dẫn (Semiconductor piezo type / 半導体ピエゾ型), Kiểu cảm biến nhiệt (Thermal detection type / 熱検知型), v.v. Ở Kiểu điện dung (Capacitance type / 静電容量型), như thể hiện trong Hình 2.8, nó phát hiện sự thay đổi vị trí rất nhỏ của một bộ phận chuyển động tinh vi được hỗ trợ bởi các vật liệu đàn hồi dưới dạng sự thay đổi Điện dung (Capacitance / 静電容量), và được khuếch đại, đo lường bởi mạch điện.

Trong hình đó, khi phần đế (base) nhận lực từ bên ngoài và chuyển động có Gia tốc (Acceleration / 加速度), khoảng cách giữa bộ phận chuyển động được giữ bằng vật liệu đàn hồi và bộ phận phát hiện sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi Điện dung của phần này. Vì Điện dung tỷ lệ nghịch với độ lớn của khoảng cách, nên có thể đo được Gia tốc thông qua việc đo Điện dung. Trong cùng hình, gia tốc theo 2 hướng của Trục x (x-axis / $x$軸) và Trục y (y-axis / $y$軸) được phát hiện riêng biệt bởi Bộ phận cảm biến kiểu điện dung vi sai (Differential capacitance sensing part / 差動容量型センシング部) thông qua sự thay đổi Điện dung.

2.3 Cảm biến ngoại giới (External state sensor / 外界センサ)

≫ 2.3.1 Cảm biến xúc giác (Tactile sensor / 触覚センサ)

Cảm biến xúc giác (Tactile sensor / 触覚センサ) được chia thành các loại cảm biến: Cảm giác lực (Force sense / 力覚), Cảm giác áp lực (Pressure sense / 圧覚), Cảm giác tiếp xúc (Touch sense / 接触覚), Cảm giác trượt (Slip sense / 滑り覚), và Cảm giác tiệm cận (Proximity sense / 近接覚) như thể hiện trong Bảng 2.3. Cảm biến xúc giác có nhiều hình thái đa dạng như thông tin điểm, thông tin đường, thông tin mặt, và vì được đeo trên ngón tay v.v. nên đặc biệt yêu cầu phải nhỏ gọn, nhẹ, Độ nhạy cao (High sensitivity / 高感度), Độ tin cậy (Reliability / 信頼性), và Độ ổn định (Stability / 安定性).

(1) Cảm biến cảm giác lực (Force sensor / 力覚センサ)

Lực tác dụng lên vật thể thường được phát hiện bằng Cảm biến đo biến dạng (Strain gauge / ひずみゲージ).

Nguyên lý đo lường (Measurement principle / 計測原理) của nó là, như thể hiện trong Hình 2.9, khi chịu tác dụng của lực, bộ phận đàn hồi sẽ sinh ra Biến dạng (Strain / ひずみ), và bằng cách dùng Cảm biến đo biến dạng (Strain gauge / ひずみゲージ) dán trên bộ phận đàn hồi để đo lượng biến dạng đó, nó sẽ được chuyển đổi thành lực. Cụ thể, khi lực $F$ tác dụng lên một vật liệu đàn hồi có Độ cứng (Rigidity / 剛性) $G$, biến dạng $\varepsilon$ sinh ra sẽ là:

Bảng 2.3 Phân loại và ứng dụng của xúc giác

Khi đó, Cảm biến đo biến dạng (Strain gauge / ひずみゲージ) dán trên bộ phận đàn hồi cũng bị biến dạng theo, và Điện trở (Electrical resistance / 電気抵抗) của nó thay đổi từ $R$ thành $R + \Delta R$. Độ nhạy của cảm biến đo biến dạng được biểu thị bằng tỷ lệ thay đổi điện trở trên mỗi đơn vị biến dạng, gọi là Hệ số đo (Gauge rate / ゲージ率) $K$.

Giá trị Hệ số đo (Gauge rate / ゲージ率) $K$ càng lớn thì độ nhạy càng cao. $K$ của cảm biến biến dạng dùng Điện trở kim loại (Metal resistor / 金属抵抗体) thường xoay quanh mức 2, trong khi $K$ của cảm biến biến dạng bán dẫn thường từ 100 trở lên. Tỷ lệ thay đổi điện trở được đo bằng Mạch cầu Wheatstone (Wheatstone bridge circuit / ホイートストンブリッジ回路), từ đó tìm ra lượng biến dạng và đo được lực. Hình 2.10 trình bày Mạch cầu Wheatstone (Wheatstone bridge circuit / ホイートストンブリッジ回路) được tích hợp cảm biến đo biến dạng.

$V_{out}$ là điện áp đầu ra của mạch, $V_{in}$ là điện áp đầu vào của mạch. Trong cùng hình vẽ, từ Định luật bảo toàn dòng điện Kirchhoff (Kirchhoff’s current law / キルヒホッフの電流の連続則), ta có:

Ở đây, $I_i \ (i=1,\ 2)$ là Dòng điện (Current / 電流), $R_i \ (i=1, \cdots, 4)$ là Điện trở (Electrical resistance / 電気抵抗). Bằng cách khử dòng điện từ 2 phương trình này, ta được:

Trong Trạng thái cân bằng (Equilibrium state / 平衡状態) không có lực tác dụng, nếu ta giả sử mọi điện trở đều bằng $R$, thì $V_{out}$ sẽ bằng 0. Khi có lực tác dụng, nếu Điện trở biến dạng (Strain resistance / ひずみ抵抗) $R_1$ thay đổi từ $R_1 = R$ thành $R_1 = R + \Delta R$, và các điện trở khác không đổi, ta có:

Hơn nữa, khi $R \gg \Delta R$, ta có thể xấp xỉ bằng phương trình sau:

Phương trình này chỉ ra rằng điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với độ biến dạng.

Điện trở của Cảm biến đo biến dạng (Strain gauge / ひずみゲージ) không chỉ thay đổi do tác dụng của lực mà còn do Nhiệt độ (Temperature / 温度). Để đối phó với điều này, người ta đưa một cảm biến biến dạng dùng cho Bù trừ nhiệt độ (Temperature compensation / 温度補償用) vào vị trí điện trở $R_4$. Lúc này, nếu gọi sự thay đổi điện trở do biến dạng là $\Delta R$, và sự thay đổi điện trở do Nhiệt độ (Temperature / 温度) là $\Delta r$, thì $R_1$ sẽ thay đổi từ $R_1 = R$ thành $R_1 = R + \Delta R + \Delta r$, và $R_4$ sẽ thay đổi từ $R_4 = R$ thành $R_4 = R + \Delta r$. Khi đó từ phương trình (2.8):

như vậy, ảnh hưởng của nhiệt độ đã bị triệt tiêu. Tuy nhiên, cảm biến đo biến dạng dùng để bù trừ nhiệt độ phải có cùng đặc tính với cảm biến đo biến dạng dùng để phát hiện, và cần phải được bố trí sao cho không phát sinh biến dạng.

Cảm biến lực đa trục (Multi-axis force sensor / 多軸力覚センサ) được cấu thành bằng cách kết hợp không gian tập hợp cơ bản này.

Hình 2.11 cho thấy một ví dụ về cấu tạo của Cảm biến lực 6 trục (6-axis force sensor / 6軸力センサ). Đầu ra của cảm biến $\boldsymbol{f}_s = [f_{s1}, \cdots, f_{s6}]^T$ là lực theo hướng các trục $x,\ y,\ z$ và Mô-men (Moment / モーメント) quanh mỗi trục. Hãy cùng xem xét đầu ra của cảm biến khi một tải trọng $\boldsymbol{f} = [f_1, \cdots, f_6]^T$ được tác dụng lên cảm biến này. Nếu gọi lượng biến dạng của cảm biến biến dạng $S_i$ do tải trọng $f_j$ gây ra là $c_{ij}$, thì $f_{si}$ được biểu diễn là:

Do đó, đầu ra của cảm biến có thể được biểu diễn bằng phương trình sau:

Ở đây,

Ma trận (Matrix / 行列) $\boldsymbol{C}$ này được gọi là Ma trận độ giãn biến dạng (Strain compliance matrix / ひずみコンプライアンス行列) của cảm biến. Để tìm tải trọng từ đầu ra của cảm biến, ta sử dụng Ma trận nghịch đảo (Inverse matrix / 逆行列) $\boldsymbol{S} = \boldsymbol{C}^{-1}$ của $\boldsymbol{C}$:

Ma trận $\boldsymbol{S}$ này được gọi là Ma trận độ cứng biến dạng (Strain stiffness matrix / ひずみ剛性行列) của cảm biến. Cảm biến lực này được gắn vào phần cổ tay của Robot, và được sử dụng trong các công việc lắp ráp ăn khớp, công việc phối hợp, v.v.

(2) Cảm biến áp lực (Pressure sensor / 圧覚センサ)

Như một ví dụ về Cảm biến áp lực dạng phân bố (Distributed pressure sensor / 分布型圧覚センサ), Hình 2.12 cho thấy một loại cảm biến áp lực phân bố trong đó Mực dẫn điện (Conductive ink / 導電性インク) có điện trở giảm gần như tỷ lệ nghịch với áp suất được in thành các hàng và cột trên từng tấm đế tương ứng, sau đó chúng được ghép lại với nhau, và áp suất tại các điểm giao cắt của hàng và cột được đọc dưới dạng sự thay đổi điện trở. Độ dày của tấm đế khá mỏng khoảng 0,1 mm, khoảng cách (pitch) giữa các hàng và cột khoảng 4~6 mm, và chúng được sử dụng để Cảm biến (Sensing / センシング) sự phân bố áp lực khi bàn tay Robot kẹp chặt vật thể.

≫ 2.3.2 Cảm biến thị giác (Visual sensor / 視覚センサ)

Cảm biến thị giác (Visual sensor / 視覚センサ) sử dụng ánh sáng làm môi trường trung gian nên về bản chất là Cảm biến không tiếp xúc (Non-contact sensor / 非接触センサ), và tùy thuộc vào nguồn sáng được sử dụng, có thể chia thành phương pháp thụ động và phương pháp chủ động. Phương pháp thụ động là phương pháp không chiếu sáng vào một mục đích cụ thể nào ngoài việc cung cấp ánh sáng đồng đều cho môi trường. Phương pháp chủ động là phương pháp chiếu một Mẫu ánh sáng (Illumination pattern / 照明パターン) cụ thể lên đối tượng. Trong cả hai trường hợp, đầu ra của cảm biến đều là thông tin tuyến tính (đường) hoặc thông tin bề mặt (mặt), và do lượng thông tin khổng lồ nên yêu cầu phải tăng tốc xử lý tín hiệu cảm biến. Các phương pháp ứng dụng tiêu biểu của cảm biến thị giác là đo lường khoảng cách để đo khoảng cách đến đối tượng, và Khớp mẫu (Pattern matching / パターンマッチング) để trích xuất và nhận dạng các đặc điểm của đối tượng.

Hình 2.13 minh họa phương pháp đo khoảng cách bằng hai camera sử dụng nguyên lý Phép đạc tam giác (Triangulation / 三角測量). Khi một cạnh của tam giác và góc ở hai đầu của nó được xác định, tam giác đó sẽ được xác định một cách duy nhất. Bằng cách sử dụng nguyên lý này, từ vị trí ảnh $\text{P}_a(x_a, y_a)$ và $\text{P}_b(x_b, y_b)$ trên mặt phẳng quan sát được đặt tại 2 điểm khác nhau, vị trí 3 chiều $(x, y, z)$ của điểm chú ý P được tính bằng:

Ở đây, $y_a = y_b$, $L$ là khoảng cách giữa các camera, và $f$ là Tiêu cự (Focal length / 焦点距離) của ống kính.

Con người có thể quyết định Điểm tương ứng (Corresponding point / 対応点) của hình ảnh nhìn bằng mắt trái và mắt phải trong tích tắc, nhưng đối với máy móc thì không đơn giản như vậy.

Khi một điểm thích hợp được chỉ định trong hình ảnh bên trái, thì việc tìm điểm tương ứng đó từ hình ảnh bên phải trở thành một thách thức. Để tìm điểm tương ứng cho điểm $\text{P}_a$ được thể hiện trong Hình 2.14, trước tiên thiết lập một vùng lân cận (gọi là Cửa sổ (Window / ウィンドウ)) $W_a$ quanh $\text{P}_a$, và xác định trước một vài ứng cử viên cho điểm tương ứng trên đường ngang trong hình ảnh bên phải. So sánh $W_a$ với Cửa sổ (Window / ウィンドウ) có tâm là mỗi điểm ứng cử viên, và chọn cửa sổ gần giống nhất làm điểm tương ứng. Trong hình, hình ảnh của $W_a$ và $W_{b1}$ thì giống nhau, nhưng hình ảnh của $W_a$ và $W_{b2}$ thì khác nhau, do đó có thể hiểu rằng $W_{b2}$ không phải là điểm tương ứng.
Là một phương pháp không cần đến quy trình xử lý điểm tương ứng như vậy, có phương pháp gọi là Phương pháp cắt quang học (Optical cutting method / 光切断法) được thể hiện trong Hình 2.15.

Phương pháp cắt quang học bố trí một bên là camera theo cấu hình của Phép đạc tam giác (Triangulation / 三角測量), và bên kia là hệ thống phát sáng chiếu ánh sáng dạng khe (slit) lên đối tượng, dựa trên nguyên lý đạc tam giác để lấy thông tin 3 chiều dọc theo Đường sáng (Bright line / 輝線). Từ vị trí ảnh $\text{P}_a(x_a, y_a)$ trên mặt phẳng quan sát và góc chiếu $\theta$ của ánh sáng khe, vị trí 3 chiều $(x, y, z)$ của điểm chú ý P được tính bằng:

Trong đó, $f$ là Tiêu cự (Focal length / 焦点距離) của ống kính, $L$ là khoảng cách giữa camera và nguồn sáng. Do đó, từ vị trí của hình ảnh và góc chiếu của nguồn sáng, vị trí 3 chiều có thể được xác định một cách duy nhất.

Là một phương pháp nhận dạng vật thể, có phương pháp gọi là Khớp mẫu (Pattern matching / パターンマッチング), trong đó tính toán các Đặc trưng (Feature quantity / 特徴量) của đối tượng bằng cách sử dụng dữ liệu hình ảnh, so sánh chúng với các Đặc trưng của mô hình hình ảnh đối tượng đã được ghi nhớ từ trước để nhận dạng. Phương pháp này nhị phân hóa hình ảnh của vật thể, và trích xuất từ hình ảnh nhị phân đó các Đặc trưng như hướng trục chính, diện tích, chu vi, đường kính dài nhất, đường kính ngắn nhất, số lỗ, v.v. của đối tượng. Bằng sự kết hợp của các đặc trưng đã trích xuất, hệ thống sẽ nhận dạng đối tượng. Đối với tham số $p_i \ (i=1, \cdots, m)$ đã trích xuất, từ giá trị trung bình $p_{ij}$ và Độ lệch chuẩn (Standard deviation / 標準偏差) $\sigma_{ij}$ của tham số thứ $i$ của vật thể thứ $j$ đã được ghi nhớ từ trước, tính khoảng cách $D_j$ bằng công thức ví dụ như:

và xác định $j$ mang lại $\min D_j$ là vật thể đối tượng. Ở đây, $w_i$ là hệ số biểu thị trọng số đối với tham số. Có nhiều phương pháp Khớp mẫu (Pattern matching / パターンマッチング) khác ngoài phương pháp nêu trên, và trong những năm gần đây, việc nhận dạng vật thể bằng Học sâu (Deep learning / 深層学習) – một nhánh của Học máy (Machine learning) – đang tiến bộ vượt bậc. Quý độc giả có thể tham khảo thêm chi tiết ở các tài liệu tham khảo khác.

Bài tập thực hành (Exercises / 演習問題)

2.1 Trong bộ mã hóa vòng quay kiểu tương đối, khi muốn có độ phân giải góc từ $0.1^\circ$ trở lên, hãy tính xem cần bao nhiêu xung (pulse) cho 1 vòng quay.

2.2 Hãy giải thích vai trò của Cảm biến xúc giác (Tactile sensor / 触覚センサ) bằng cách sử dụng ví dụ minh họa.

2.3 Hãy chứng minh rằng việc đo khoảng cách bằng Phương pháp cắt quang học (Optical cutting method / 光切断法) có thể được tính toán bằng phương trình (2.17).