Thiết kế hệ thống quét 3D linh hoạt, SV Bách khoa Quốc tế công bố bài báo quốc tế

Nghiên cứu của Đỗ Võ Hoàng Hưng, sinh viên K2017 chương trình Chất lượng cao ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử, cùng các cộng sự, sẽ được công bố tại hội nghị International Conference on High Performance Big Data and Intelligent Systems 2021 vào tháng Mười Hai tới.

Tin vui này là kết quả của sự hợp tác nhuần nhuyễn giữa ba bên: sinh viên (Hoàng Hưng), nhà trường (PGS. TS. Nguyễn Quốc Chí – Trưởng Bộ môn Cơ Điện tử), doanh nghiệp (kỹ sư Lương Thanh Nhật, cũng là cựu sinh viên Bách khoa – Phòng Nghiên cứu & Phát triển, Công ty Think Alpha). Cùng OISP khám phá hành trình hiện thực hóa dự án từ đề tài tốt nghiệp ban đầu qua góc nhìn của bạn Hoàng Hưng nha!

Bài viết liên quan
► Trà giải lo âu của SV Bách khoa: sản phẩm khởi nghiệp từ loại dược liệu quý
► Máy đo thân nhiệt và rửa tay tự động tích hợp IoT của sinh viên Bách khoa
► Tái chế rác thải nhựa tạo sợi 3D: sinh viên Bách khoa Quốc tế thắng giải cuộc thi Tech Planter 2021

DẤN THÂN VÀO CON ĐƯỜNG NGHIÊN CỨU TỪ SỚM

Bài báo khoa học A Flexible 3D Scanning System Using Convergent Stereo Vision Integrated with an Industrial Manipulator được phát triển từ đề tài luận văn tốt nghiệp Design of a 3D Scanning Stereo System Integrated with Industrial Manipulator, dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Quốc Chí.

Hiện nay, nước ta chỉ đang tập trung chế tạo các dạng robot công nghiệp sáu bậc tự do⁽¹⁾ (6-DOF) mà chưa thực sự đầu tư phát triển sản phẩm mới. Thêm vào đó, sản phẩm nhập khẩu thường yêu cầu đồng bộ phần cứng kèm theo phần mềm có bản quyền, giá thành vì vậy mà bị đội lên rất cao. Trong khi đó, việc số hóa dữ liệu bằng ứng dụng xử lý ảnh là một mảng giàu tiềm năng của digital twins⁽²⁾, một trong những lĩnh vực hot nhất hiện tại.

Từ đó, mình đã nảy ra ý tưởng kết hợp sức mạnh của robot với các kỹ thuật xử lý ảnh nhằm xây dựng một hệ thống quét 3D có độ chính xác cao, giá thành phải chăng và đủ khả năng hỗ trợ robot công nghiệp. Mình đã cộng tác với thầy Chí và anh Nhật để thực hiện nghiên cứu này.

Mình biết thầy Chí thông qua một số môn chuyên ngành do thầy đứng lớp. Nhận thấy phong cách truyền đạt kiến thức của thầy phù hợp với bản thân, mình đã mạnh dạn nhờ thầy tư vấn về việc nghiên cứu khoa học. Vậy là, từ một thực tập sinh của nhóm nghiên cứu do thầy đứng đầu, mình đã học hỏi không ngừng cho tới khi trở thành thành viên chính thức của nhóm. Trong suốt quá trình làm việc, mình không chỉ được trau dồi kiến thức mà còn cải thiện những kỹ năng mềm cần thiết..

NHỮNG CẢI TIẾN VƯỢT TRỘI TRONG HỆ THỐNG QUÉT 3D

Nghiên cứu về hệ thống quét 3D linh hoạt của thầy Chí, anh Nhật và mình dựa trên máy quét sử dụng camera đôi (active stereo vision)⁽³⁾ được gắn trên tay máy công nghiệp sáu bậc tự do. Bằng cách tái tạo hình ảnh thực tế thành mô hình 3D, hệ thống có thể được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như: thiết kế ngược (thiết kế từ mẫu có sẵn), kiểm tra chất lượng sản phẩm, thực tế ảo, tạo mẫu nhanh, chẩn đoán y khoa…

Nhóm đã tạo thêm một bậc tự do nữa để hạn chế vùng mù của máy quét, sau đó phát triển một thuật toán tạo mô hình 3D (bao gồm xử lý hình ảnh 2D và đám mây điểm – tập hợp các điểm trong không gian ba chiều kỹ thuật số) và cuối cùng tiến hành một số thực nghiệm nhằm kiểm tra tính hiệu quả của thuật toán đã đề xuất.

Kết quả là hệ thống có thể tiếp cận đối tượng từ bất kỳ hướng nào, rất thích hợp để quét những đối tượng có hình dạng phức tạp hay kích thước khác nhau, đồng thời có độ chính xác và ổn định cao. Từ đó tạo ra tiền đề để nhóm phát triển những ứng dụng robot thông minh khác như tự phân loại, lắp ráp sản phẩm dựa trên dữ liệu hình ảnh.

Đây là hệ thống quét hình ảnh 3D phiên bản 2.0 với sự cải tiến đáng kể về độ chính xác và thời gian thực thi so với phiên bản 1.0 (do các tiền bối K2016 chương trình Chất lượng cao ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử thực hiện). Cụ thể, phiên bản mới có sai số tuyệt đối khi tái tạo mô hình là 0,3 mm. Đặc biệt, hệ thống có thể gắn lên robot công nghiệp để ứng dụng một cách linh hoạt (thay vì phải đặt cố định như trong phiên bản 1.0).

*** Mời bạn truy cập vào đây để tìm hiểu kỹ hơn về nguyên lý hoạt động của hệ thống quét 3D linh hoạt do nhóm nghiên cứu thực hiện

LÀM VIỆC 18 TIẾNG/NGÀY ĐỂ BẮT KỊP TIẾN ĐỘ

Nhóm mình chính thức nghiên cứu đề tài vào khoảng tháng Mười Hai năm ngoái. Gần một năm qua, cả đội gặp nhiều khó khăn do dịch COVID-19 bùng phát trở lại, cả thành phố bị phong tỏa. Nhóm không thể tiếp cận máy móc, thiết bị để tiến hành thực nghiệm. Đã vậy, đây lại là giai đoạn nước rút hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Hàng loạt trở ngại xảy đến  dồn dập khiến mình cảm thấy căng thẳng, áp lực.

Có lúc mình chỉ muốn làm cho xong sản phẩm, dẫu là “chắp vá” cũng được, rồi sẽ sửa chữa, cải tiến khi tình hình đã ổn. Nhưng nhờ sự khích lệ và hỗ trợ tận tình từ thầy Chí, anh Nhật mà mình đã hoàn thiện được sản phẩm theo đúng kế hoạch lúc đầu.

Có giai đoạn một số thành viên phải “đóng quân” ở công ty trong suốt thời gian thành phố bị phong tỏa. Buổi sáng, mình cùng nhóm nghiên cứu lý thuyết. Buổi trưa, nhóm chia quân ra: thầy Chí, anh Nhật thực nghiệm trên hệ thống riêng; mình nghiên cứu đề tài riêng. Buổi tối, thành viên nào ở lại thì sẽ lắp máy quay để mình điều khiển thực nghiệm từ xa. Với lịch trình dày đặc như vậy, mỗi ngày nhóm nghiên cứu đã làm việc cực kỳ chăm chỉ, có khi lên tới 18 tiếng/ngày. Tất nhiên, thành quả đạt được cực kỳ xứng đáng với toàn bộ công sức và nỗ lực của mọi người.

Thời gian vừa qua, thầy Chí đã hỗ trợ mình về mọi mặt, nhất là các trang thiết bị làm việc. Với tư cách là thực tập sinh nghiên cứu của nhóm, kể từ ngày đầu tiên, mình đã được rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm dưới áp lực cao. Hơn hết, thầy luôn theo sát mình trong quá trình nghiên cứu thông qua các bản báo cáo tiến độ hàng tuần, từ đó đưa ra những góp ý cực kỳ xác đáng. Vì vậy, mình đã cải tiến thiết kế liên tục không chỉ dưới góc nhìn học thuật mà còn dựa trên khía cạnh ứng dụng thực tiễn.

Bên cạnh đó, anh Nhật cũng thường xuyên chia sẻ kinh nghiệm làm việc, hướng dẫn mình cách tìm tài liệu và viết báo cáo học thuật một cách súc tích, mạch lạc. Ngoài ra, Công ty Think Alpha cũng trợ giúp nhóm nghiên cứu rất nhiều về mặt xây dựng ý tưởng, góp ý kỹ thuật (thông qua một số hội thảo chuyên môn), cho phép sử dụng bộ dữ liệu mà công ty đã phát triển cho phiên bản 1.0, tổ chức tập huấn các thành viên tham gia dự án, cung cấp địa điểm làm việc cũng như trang bị đầy đủ máy móc, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu.

Hiện tại, dự án đã bước đầu đạt được thành công trong quá trình thực nghiệm với độ chính xác cao. Tuy nhiên, hệ thống vẫn cần tiếp tục cải tiến, hoàn thiện theo các định hướng như: thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí chính xác hơn để giảm thiểu sai số kết quả; nâng cao tốc độ xử lý bằng cách tối ưu thuật toán hoặc tối ưu phần cứng; sử dụng máy tính nhúng⁽⁴⁾ nhằm tăng cường mức cơ động cùng tính khả thi khi sản xuất, cung cấp cho doanh nghiệp.

Trong tương lai, mình sẽ đào sâu mảng lập trình nhúng, hướng tới xây dựng nền tảng kiến thức vững chắc về internet vạn vật (internet of things), trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) để có thể chế tạo những sản phẩm gọn nhẹ với khả năng hoạt động độc lập thay vì phải phụ thuộc vào máy tính để bàn hay máy tính xách tay”, Hoàng Hưng tâm sự.

International Conference on High Performance Big Data and Intelligent Systems (HPBD&IS) là hội nghị khoa học do Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS) tổ chức,  chia sẻ, kết nối ý tưởng, quan điểm, kinh nghiệm trong lĩnh vực máy tính hiệu suất cao, dữ liệu lớn, hệ thống thông minh… Bài báo được công bố tại HPBD&IS sẽ được cập nhật vào IEEE Xplore – cơ sở dữ liệu toàn cầu tập hợp các bài báo, kỷ yếu hội nghị, tiêu chuẩn kỹ thuật và các tài liệu về khoa học máy tính, kỹ thuật điện, điện tử và các lĩnh vực liên quan.

—

⁽¹⁾ 6 bậc tự do: Một vật rắn đặt trong không gian 3 chiều có 6 khả năng chuyển động tự do, đó là 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 phương và 3 chuyển động quay theo 3 phương. Người ta gọi đó là 6 bậc tự do của một vật rắn tuyệt đối.

⁽²⁾ Digital twins: Bản sao kỹ thuật số của một hệ thống vật lý, qua đó tìm hiểu hành vi của đối tượng vật lý thông qua dữ liệu thu thập và dự đoán tương lai dựa trên mô hình kỹ thuật số. Công nghệ này đặc biệt phát huy hiệu quả trong thời kỳ đại dịch COVID-19 hoành hành, nhu cầu hoạt động độc lập, tự chủ của các hệ thống máy móc, thiết bị tăng lên.

⁽³⁾ Active stereo vision: Kỹ thuật dùng hai camera để tính toán khoảng cách trong không gian ba chiều từ một hay nhiều điểm đến camera. Người dùng có thể chủ động tạo thêm một số đặc trưng trên bề mặt cần quét nhằm nâng cao độ chính xác cùng khả năng làm việc với các đối tượng đồng nhất (cùng màu, cùng chất liệu…). Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã sử tạo thêm các vân trên vật thể cần đo bằng máy chiếu.

⁽⁴⁾ Máy tính nhúng: Một thiết bị/ hệ thống được thiết kế để phục vụ cho một yêu cầu/ bài toán/ ứng dụng/ chức năng nhất định nào đó và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển tự động, quan trắc và truyền tin. Vì không đòi hỏi khả năng tính toán cao như các loại máy tính đa chức năng (máy tính xách tay, máy tính để bàn) nên máy tính nhúng có kích thước nhỏ gọn và dễ tích hợp trong công nghiệp.

XUÂN MAI thực hiện