Ứng dụng xử lý ảnh trong điều khiển cánh tay robot công nghiệp

Bản ghi

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌ ĐỖ VĂN CHUYÊN ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRONG ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠ Ngƣ : TS. Phạm Đức Long Thái Nguyên 2013

2 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đƣợc trình bày trong bản luận văn này là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, trong quá trình nghiên cứu luận văn Ứng dụng xử lý ảnh trong điều khiển cánh tay robot công nghiệp các kết quả và dữ liệu đƣợc nêu ra là hoàn toàn trung thực dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Phạm Đức Long. Mọi thông tin trích dẫn dẫn đều đƣợc tuân theo luật sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung đƣợc viết trong luận văn này. Thái Nguyên, ngày 19 tháng 11 năm 2013 HỌC VIÊN Đỗ Văn Chuyên

3 ii LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc thực hiện tại Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên dƣới sự hƣớng dẫn của thầy TS. Phạm Đức Long. Trƣớc hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS.Phạm Đức Long, Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ để em hoàn thành tốt luận văn của mình. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, cùng các thầy cô giáo đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập tại trƣờng cũng nhƣ quá trình làm luận văn này. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp những ngƣời đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Thái Nguyên, ngày 19 tháng 11 năm 2013 HỌC VIÊN Đỗ Văn Chuyên

4 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN... i LỜI CẢM ƠN... ii MỤC LỤC... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT... v DANH MỤC CÁC HÌNH... v Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH Lý thuyết về xử lý ảnh [1] Hệ thống xử lý ảnh Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh Thu nhận ảnh và số hóa Phân tích ảnh Hệ quyết định Thu nhận ảnh và lƣu trữ ảnh Thu nhận ảnh[7] Lƣu trữ ảnh Phân tích ảnh Khái niệm pixel và pixel lân cận Một số không gian màu Một số kỹ thuật trợ giúp xử lý ảnh Biên và các phƣơng pháp phát hiện biên[1][4][7] Biến đổi Hough Biến đổi Hough tổng quát [9] Biến đổi Hough tìm hình chữ nhật [11] Biến đổi Hough tìm đƣờng tròn Chƣơng 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Sơ lƣợc quá trình phát triển của robot công nghiệp Ứng dụng robot công nghiệp trong quá trình sản xuất... 27

5 iv 2.3. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp Định nghĩa robot công nghiệp Bậc tự do của robot (DOF: Degrees Of Freedom) Hệ tọa độ (Coordinate frames) Trƣờng công tác của robot Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp Các thành phần chính của robot công nghiệp Kết cấu của tay máy Phân loại robot công nghiệp Phân loại theo kết cấu Phân loại theo hệ thống truyền động Phân loại theo ứng dụng Phân loại theo cách thức và đặc trƣng của phƣơng pháp điều khiển Chƣơng 3: ĐĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BẰNG XỬ LÝ ẢNH Ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp Cánh tay robot điều khiển bằng thông tin chiết xuất từ ảnh Giới thiệu camera Eye-RIC Xác định vị trí đối tƣợng bằng xử lý ảnh Xác định vị trí đối tƣợng hình tròn Xác định vị trí đối tƣợng hình vuông Xác định vị trí đối tƣợng hình tròn lẫn với các đối tƣợng hình vuông trong mặt phẳng chi chi tiết máy Kết quả thực nghiệm KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO... 55

6 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU/TỪ VIẾT TẮT CCD CMOS BMP PCX RLE TIFF RGB CMY HSV AMF NC CNC AFNOR RIA DOF SCARA AI CNN PC Ý NGHĨA Charge Coupled Device Conplementary Metal Oxide Semiconductor Bitmap Personal Computer Exchange Run Length Encoded Targed Image File Format Red- green- blue Cyan-Magenta- Yellow Hue-Saturation-Value American machijne and Foundry Company Numerically Controlled machine tool Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) Association Française de Normalisation Robot institule of America Degrees Of Freedom Selective Compliant Articulated Robot Arm Artificial intelligence Cellular neural network Personal computer

7 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hệ thống xử lý ảnh Hình 1.2: Tọa độ P và tọa độ các điểm lân cận Hình 1.3: Mô hình màu RGB Hình 1.4: và biểu diễn một đƣờng thẳng Hình 1.5: Đƣờng thẳng Hough trong trục tọa độ Hình 1.6: a) Original image b) Image after gradiant filtering Hình 1.7: c) Hough array visualization d) Image with detected lines Hình 1.8: Hình chữ nhật có gốc tọa độ nằm ở giữa Hình 1.9: Hình chữ nhật trong không gian Hough Hình 1.10: Ảnh nhị phân Hình 1.11: Hiển thị ma trận của phép biến đổi Hough Hình 1.12: Tâm của vòng tròn với bán kính R Hình 2.1. Các tọa độ suy rộng của robot Hình 2.2: Qui tắc bàn tay phải Hình 2.4. Các thành phần chính của hệ thống robot Hình 2.5. Robot kiển tạo độ Đề các Hình 2.6. Robot kiểu tọa độ trụ Hình 2.7. Robot kiểu tọa độ cầu Hình 2.8. Robot hoạt động theo kiểu hệ tọa độ góc Hình 2.9. Robot kiểu SCARA Hình 3.1. a) Vòng bi b) Vòng đệm máy Hình 3.2. a) Ốc máy b) Phụ tùng máy Hình 3.3. Quá trình xử lý Hình 3.4. Cánh tay robot điều khiển bằng thông tin chiết xuất từ hình ảnh Hình 3.5. Sơ đồ hệ thống điều khiển cánh tay robot Hình 3.6. Cameta EyE Rics... 42

8 vii Hình 3.7. Cài đặt phần mềm ứng dụng Hình 3.8. Bƣớc chọn thƣ mục cài đặt Hình 3.9. Kết thúc quá trình cài đặt Hình Giao diện chính của phần mềm Eye-RIS ADK Hình Tìm tâm hình học của một hình bất kỳ Hình Tìm đỉnh và góc lệch của hình vuông Hình Không gian thực Hình Không gian thực chỉ còn hình tròn Hình Thuật toán chung Hình Các đuối tƣợng hình tròn nằm đối xứng nhau Hình Thu ảnh hình chòn từ camera Eye-Ric Hình Kết quả sau khi xử lý Hình Kết quả tính toán Hình Thu ảnh từ camera Hình Kết quả sau khi xử lý Hình Kết quả tính toán Hình Thu ảnh từ camera Hình Kết quả thu đƣợc sau quá trình xử lý Hình Kết quả tìm tọa độ các đỉnh và góc lệch

9 1 MỞ ĐẦU Trong ngành khoa học máy tính, xử lý ảnh đã đƣợc nghiêm cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong đời sống nhƣ trong y học xử lý ảnh xử dụng trong nhận dạng khối u, cải thiện ảnh X-quang. Trong cuộc sống gia đình xử lý ảnh dùng để cải thiện chất lƣợng ảnh truyền hình. Trong Điều khiển và Tự động hóa xử lý ảnh đã có những đóng góp quan trọng đặc biệt là trong lĩnh vực Robot. Robot thông minh ngày nay không thể thiếu xử lý ảnh để thực hiện. Nhận dạng đối tƣợng ngoài môi trƣờng nói chung hay trong nhà máy xí nghiệp. Từ việc nhận dạng có thể giải quyết rất nhiều bài toán nhƣ gắp vật, tránh vật cản, dò đƣờng, Các chƣơng trình ứng dụng nhƣ: nhận dạng mặt ngƣời, nhận dạng vân tay trong điều tra hình sự, xử lý ảnh vệ tinh, kiểm soát giao thông, xử lý ảnh chụp cắt lớp, MRI, chuẩn đoán tế bào trong y học, các chƣơng trình nhận dạng chữ viết... đã đem lại nhiều ứng dụng tiện ích cho con ngƣời. Nhận dạng đối tƣợng trong ảnh là vấn đề đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Mục đích chính nhằm tìm ra những đối tƣợng trong ảnh với thời gian nhỏ nhất. Thuật toán tìm kiếm đối tƣợng dựa trên biến đổi Hough là một trong nhiều phƣơng pháp tìm kiếm đối tƣợng trong ảnh. Biến đổi Hough là một kỹ thuật có thể dùng để tách ra các đặc điểm của một hình dáng cụ thể trong một ảnh nhị phân. Đối tƣợng có thể có hình dạng bất kỳ miễn là có thể biểu diễn đƣợc bằng phƣơng trình toán. Các bài toán tìm kiếm từ những mức đơn giản nhƣ tìm đƣờng thẳng tới các bài toán phức tạp hơn nhƣ tìm hình tròn, hình elipse, hình vuông hoặc các hình phức tạp đều có thể thực hiện bằng biến đổi Hough. Luận văn bao gồm các nội dung chính nhƣ sau: Chƣơng 1: Cở sở lý thuyết xử lý ảnh Chƣơng 2: Giới thiệu chung về robot công nghiệp Chƣơng 3: Điều khiển cánh tay robot bằng xử lý ảnh Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận đƣợc sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp.

10 2 Chƣơng 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH 1.1. Lý thuyết về xử lý ảnh [1] Hệ thống xử lý ảnh Hệ thống xử lý ảnh điển hình thƣờng bao gồm những thành phần sau: Hình 1.1 Hệ thống xử lý ảnh Từ hình vẽ ta thấy một hệ thống xử lý ảnh bao gồm thu nhận ảnh, số hóa ảnh, phân tích ảnh và cuối cùng là quyết định (tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể mà đƣa ra quyết định phù hợp) Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh Một số khái niệm cơ bản - Ảnh và điểm ảnh: Điểm ảnh đƣợc xem nhƣ là dấu hiệu hay cƣờng độ sáng tại 1 tọa độ trong không gian của đối tƣợng và ảnh đƣợc xem nhƣ là 1 tập hợp các điểm ảnh. - Mức xám, màu: Là số các giá trị có thể có của các điểm ảnh của ảnh. Khử nhiễu - Có hai loại nhiễu cơ bản trong quá trình thu nhận ảnh.