khoaluan.vn_Ung+dung+xu+ly+anh+trong+dieu+khien+canh+tay+robot+cong+nghiep

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌ ĐỖ VĂN CHUYÊN ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRONG ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CƠNG NGHIỆP Chun ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠ Ngƣ : TS Phạm Đức Long Thái Nguyên – 2013 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tồn nội dung đƣợc trình bày luận văn kết tìm hiểu nghiên cứu riêng tơi, q trình nghiên cứu luận văn “Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển cánh tay robot công nghiệp” kết liệu đƣợc nêu hoàn toàn trung thực dƣới hƣớng dẫn TS Phạm Đức Long Mọi thông tin trích dẫn dẫn đƣợc tuân theo luật sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ ràng tài liệu tham khảo Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung đƣợc viết luận văn Thái Nguyên, ngày 19 tháng 11 năm 2013 HỌC VIÊN Đỗ Văn Chuyên Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc thực Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên dƣới hƣớng dẫn 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 Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, ngƣời tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ để em hồn thành tốt luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin Truyền Thông - Đại học Thái Ngun, thầy giáo nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em suốt trình học tập trƣờng nhƣ trình làm luận văn Cuối em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp ngƣời động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho em q trình học tập hồn thành luận văn Thái Nguyên, ngày 19 tháng 11 năm 2013 HỌC VIÊN Đỗ Văn Chuyên Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 1.1 Lý thuyết xử lý ảnh [1] .2 1.1.1 Hệ thống xử lý ảnh 1.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh 1.1.3 Thu nhận ảnh số hóa 1.1.4 Phân tích ảnh 1.1.5 Hệ định 1.2 Thu nhận ảnh lƣu trữ ảnh 1.2.1 Thu nhận ảnh[7] 1.2.2 Lƣu trữ ảnh 1.3 Phân tích ảnh .11 1.3.1 Khái niệm pixel pixel lân cận 11 1.3.2 Một số không gian màu 11 1.3.3 Một số kỹ thuật trợ giúp xử lý ảnh 13 1.3.4 Biên phƣơng pháp phát biên[1][4][7] .14 1.4 Biến đổi Hough 15 1.4.1 Biến đổi Hough tổng quát [9] 15 1.4.2 Biến đổi Hough tìm hình chữ nhật [11] 20 1.4.2 Biến đổi Hough tìm đƣờng trịn 22 Chƣơng 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 25 2.1 Sơ lƣợc trình phát triển robot công nghiệp .25 2.2 Ứng dụng robot cơng nghiệp q trình sản xuất 26 2.3 Các khái niệm định nghĩa robot công nghiệp .27 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.3.1 Định nghĩa robot công nghiệp 27 2.3.2 Bậc tự robot (DOF: Degrees Of Freedom) 28 2.3.3 Hệ tọa độ (Coordinate frames) 28 2.3.4 Trƣờng công tác robot 29 2.4 Cấu trúc robot công nghiệp 30 2.4.1 Các thành phần robot cơng nghiệp 30 2.4.2 Kết cấu tay máy 31 2.5 Phân loại robot công nghiệp 34 2.5.1 Phân loại theo kết cấu .34 2.5.2 Phân loại theo hệ thống truyền động .34 2.5.3 Phân loại theo ứng dụng 35 2.5.4 Phân loại theo cách thức đặc trƣng phƣơng pháp điều khiển 35 Chƣơng 3: ĐĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BẰNG XỬ LÝ ẢNH 36 3.1 Ứng dụng xử lý ảnh công nghiệp .36 3.2 Cánh tay robot điều khiển thông tin chiết xuất từ ảnh 37 3.3 Giới thiệu camera Eye-RIC 39 3.4 Xác định vị trí đối tƣợng xử lý ảnh 43 3.4.1 Xác định vị trí đối tƣợng hình trịn .43 3.4.2 Xác định vị trí đối tƣợng hình vuông 44 3.4.3 Xác định vị trí đối tƣợng hình trịn lẫn với đối tƣợng hình vng mặt phẳng chi chi tiết máy 45 3.4.4 Kết thực nghiệm .47 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU/TỪ VIẾT TẮT CCD CMOS Ý NGHĨA Charge Coupled Device Conplementary Metal – Oxide – Semiconductor BMP Bitmap PCX Personal Computer Exchange RLE Run – Length – Encoded TIFF Targed Image File Format RGB Red- green- blue CMY Cyan-Magenta- Yellow HSV Hue-Saturation-Value AMF American machijne and Foundry Company NC CNC AFNOR Numerically Controlled machine tool Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) Association Franỗaise de Normalisation RIA Robot institule of America DOF Degrees Of Freedom SCARA AI CNN PC Selective Compliant Articulated Robot Arm Artificial intelligence Cellular neural network Personal computer Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hệ thống xử lý ảnh Hình 1.2: Tọa độ P tọa độ điểm lân cận 11 Hình 1.3: Mơ hình màu RGB 12 Hình 1.4: biểu diễn đƣờng thẳng 15 Hình 1.5: Đƣờng thẳng Hough trục tọa độ 17 Hình 1.6: a) Original image b) Image after gradiant filtering 19 Hình 1.7: c) Hough array visualization d) Image with detected lines 19 Hình 1.8: Hình chữ nhật có gốc tọa độ nằm 20 Hình 1.9: Hình chữ nhật không gian Hough 21 Hình 1.10: Ảnh nhị phân 23 Hình 1.11: Hiển thị ma trận phép biến đổi Hough 24 Hình 1.12: Tâm vịng trịn với bán kính R 24 Hình 2.1 Các tọa độ suy rộng robot 29 Hình 2.2: Qui tắc bàn tay phải 29 Hình 2.4 Các thành phần hệ thống robot 30 Hình 2.5 Robot kiển tạo độ Đề 32 Hình 2.6 Robot kiểu tọa độ trụ 32 Hình 2.7 Robot kiểu tọa độ cầu 33 Hình 2.8 Robot hoạt động theo kiểu hệ tọa độ góc 33 Hình 2.9 Robot kiểu SCARA 34 Hình 3.1 a) Vịng bi b) Vịng đệm máy 47 Hình 3.2 a) Ốc máy b) Phụ tùng máy 37 Hình 3.3 Quá trình xử lý 38 Hình 3.4 Cánh tay robot điều khiển thơng tin chiết xuất từ hình ảnh 38 Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống điều khiển cánh tay robot 50 Hình 3.6 Cameta EyE Rics 39 Hình 3.7 Cài đặt phần mềm ứng dụng 41 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 3.8 Bƣớc chọn thƣ mục cài đặt 41 Hình 3.9 Kết thúc trình cài đặt 42 Hình 3.10 Giao diện phần mềm Eye-RIS ADK 10.2 42 Hình 3.11 Tìm tâm hình học hình 43 Hình 3.12 Tìm đỉnh góc lệch hình vng 45 Hình 3.13 Khơng gian thực 56 Hình 3.14 Khơng gian thực cịn hình trịn 57 Hình 3.15 Thuật tốn chung 57 Hình 3.16 Các đuối tƣợng hình trịn nằm đối xứng 58 Hình 3.17 Thu ảnh hình chòn từ camera Eye-Ric 47 Hình 3.18 Kết sau xử lý 48 Hình 3.19 Kết tính tốn 48 Hình 3.20 Thu ảnh từ camera 48 Hình 3.21 Kết sau xử lý 49 Hình 3.22 Kết tính toán 49 Hình 3.23 Thu ảnh từ camera 49 Hình 3.24 Kết thu đƣợc sau trình xử lý 50 Hình 3.25 Kết tìm tọa độ đỉnh góc lệch 50 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Trong ngành khoa học máy tính, xử lý ảnh đƣợc nghiêm cứu ứng dụng mạnh mẽ đời sống nhƣ y học xử lý ảnh xử dụng nhận dạng khối u, cải thiện ảnh X-quang Trong sống gia đình xử lý ảnh dùng để cải thiện chất lƣợng ảnh truyền hình Trong Điều khiển Tự động hóa xử lý ảnh có đóng góp quan trọng đặc biệt lĩnh vực Robot Robot thông minh ngày thiếu xử lý ảnh để thực Nhận dạng đối tƣợng mơi trƣờng nói chung hay nhà máy xí nghiệp Từ việc nhận dạng giải nhiều tốn nhƣ gắp vật, tránh vật cản, dị đƣờng,…Các chƣơng trình ứng dụng nhƣ: nhận dạng mặt ngƣời, nhận dạng vân tay điều tra hình sự, xử lý ảnh vệ tinh, kiểm sốt giao thơng, xử lý ảnh chụp cắt lớp, MRI, chuẩn đoán tế bào y học, chƣơng trình nhận dạng chữ viết đem lại nhiều ứng dụng tiện ích cho ngƣời Nhận dạng đối tƣợng ảnh vấn đề đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm Mục đích nhằm tìm đối tƣợng ảnh với thời gian nhỏ Thuật tốn tìm kiếm đối tƣợng dựa biến đổi Hough nhiều phƣơng pháp tìm kiếm đối tƣợng ảnh Biến đổi Hough kỹ thuật dùng để tách đặc điểm hình dáng cụ thể ảnh nhị phân Đối tƣợng có hình dạng miễn biểu diễn đƣợc phƣơng trình tốn Các tốn tìm kiếm từ mức đơn giản nhƣ tìm đƣờng thẳng tới tốn phức tạp nhƣ tìm hình trịn, hình elipse, hình vng hình phức tạp thực biến đổi Hough Luận văn bao gồm nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Cở sở lý thuyết xử lý ảnh Chƣơng 2: Giới thiệu chung robot công nghiệp Chƣơng 3: Điều khiển cánh tay robot xử lý ảnh Do thời gian trình độ cịn hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận đƣợc đóng góp, bảo thầy giáo, cô giáo bạn đồng nghiệp Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH 1.1 Lý thuyết xử lý ảnh [1] 1.1.1 Hệ thống xử lý ảnh Hệ thống xử lý ảnh điển hình thƣờng bao gồm thành phần sau: Hình 1.1 Hệ thống xử lý ảnh Từ hình vẽ ta thấy hệ thống xử lý ảnh bao gồm thu nhận ảnh, số hóa ảnh, phân tích ảnh cuối định (tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể mà đƣa định phù hợp) 1.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh Một số khái niệm - Ảnh điểm ảnh: Điểm ảnh đƣợc xem nhƣ dấu hiệu hay cƣờng độ sáng tọa độ không gian đối tƣợng ảnh đƣợc xem nhƣ tập hợp điểm ảnh - Mức xám, màu: Là số giá trị có điểm ảnh ảnh Khử nhiễu - Có hai loại nhiễu trình thu nhận ảnh + Nhiễu hệ thống: nhiễu có quy luật khử phép biến đổi Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/