Điều khiển tay máy scara dùng hồi tiếp thị giác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN XUÂN VINH ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY SCARA DÙNG HỒI TIẾP THỊ GIÁC CHUYÊN NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN HỌC KỸ THUẬT Mà SỐ NGÀNH : 2.05.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN XUÂN VINH ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY SCARA DÙNG HỒI TIẾP THỊ GIÁC CHUYÊN NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN HỌC KỸ THUẬT Mà SỐ NGÀNH : 2.05.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH – 10/2005 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : GVC TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng …… năm 2005 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 200 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : NGUYỄN XUÂN VINH Ngày, tháng, năm sinh : 11 – 02 – 1977 Chuyên ngành : Điều Khiển Học Kỹ Thuật I - TÊN ĐỀ TÀI : Phái : Nam Nơi sinh : TP.HCM MSHV : 01503371 ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY SCARA DÙNG HỒI TIẾP THỊ GIÁC II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : III- NGAØY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày ký Quyết định giao đề tài): IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GVC TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Đức Thành CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS Nguyễn Đức Thành Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Ngày tháng năm 2005 KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Xin cho phép gửi lời cám ơn chân thành đến quý thầy cô môn Điều Khiển Tự Động thuộc khoa Điện – Điện tử trường ĐH Bách Khoa TP.HCM, người giảng dạy cung cấp kiến thức cho năm học cao học Đặc biệt, với lòng quý trọng xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Đức Thành, người trực tiếp hướng dẫn định hướng cho hoàn thành luận văn Xin trân trọng gửi lời cám ơn đến thầy TSKH Hồ Đắc Lộc, người giúp hoàn thành phần tốt phần mô hình thực tế luận văn Xin cám ơn bạn đồng nghiệp, người giúp nhiều thời gian thực luận văn Xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, chỗ dựa vững cho suốt trình học tập làm việc Cuối xin cảm ơn bạn lớp có trao đổi, đóng góp ý kiến đề tài luận văn TP HCM, tháng 10/2005 Tác giả Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh TÓM TẮT Ngày việc sử dụng loại robot công nghiệp người máy ngày trở nên phổ biến, robot hoạt động độc lập, tự vận hành , thay người làm việc nơi độc hại, không an toàn Tuy nhiên robot có khả hoạt động với chương trình định sẵn đáp ứng với thay đổi điều kiện làm việc môi trường làm việc Vì robot cần trang bị thêm hệ thống thị giác máy tính (gồm camera máy tính) Điều giúp cho robot nhận biết môi trường làm việc, vị trí đối tượng, nhận định đưa định xử lý tình huống, vận hành độc lập hoạt động theo nhiều chương trình đa dạng Luận văn trình bày hai vấn đề : Ž Nhận biết ảnh đối tượng tập đối tượng có ảnh Trong tác giả đề nghị phương pháp phân ngưỡng ảnh theo màu sắc qua ảnh , ước lượng vị trí hướng đối tượng không gian thực Ž Thi công mô hình tay máy SCARA Điều khiển tay máy SCARA gắp vật có ảnh Cuối luận văn tác giả trình bày kết thực nghiệm mô hình tay máy SCARA bậc tự thực phòng Thí nghiệm Tự Động Hoá trường ĐH DL Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh Mở đầu Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh ABSTRACT Nowadays, the using of Industrial Robots, manipulator becomes more and more popular These robots can working independently, self controls These robots are good replacements for human beeings in unsafe workspaces If a robot just only work with a programe , it can not respond to different situations on a varying environment In order to intelligently respond to different situations on a varying environment, a computer vision is generally included to the system (may be one or two or more camera and one computer) With computer vision, robots are able to “observe”, be aware of the surrounding workspace, and have appropriate decisions for different situations This thesis is discussing about two basic issues : • The algorithm used to recognize a pre-determined object among a set of objects on a picture In which, I propose the algorithm used to recognize by colors, and after that, estimation though a picture of the location and orientation of objects in real space • Make a practical modelling with a SCARA robot (4 dof) In the last Chapter, I present an application, in which the computer vision is used to control the Robot arm to pick and place objects Mở đầu 10 Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh MỤC LỤC Trang Nhiệm vụ luận văn thạc sỹ Lời cám ơn Mục lục Mở đầu Tổng quan 11 Chương 1: Cơ sở lý thuyết robot 16 I.1 Các định nghóa robot 16 I.2 Quá trình phát triển 17 I.3 Phạm vi ứng dụng 18 I.3.1 Ứng dụng công nghiệp 18 I.3.2 Ứng dụng robot phòng thí nghiệm 22 I.3.3 Ứng dụng robot thao tác cần khuyếch đại lực 22 I.3.4 Ứng dụng robot nông nghiệp 22 I.3.5 Ứng dụng robot không gian 22 I.3.6 Ứng dụng robot tàu lặn 23 1.3.7 Ứng dụng robot giáo dục 23 1.3.8 Ứng dụng robot hỗ trợ người tàn tật 23 1.3.9 Ứng dụng robot sinh hoạt giải trí 23 I.4 Tiếp cận ứng dụng robot công nghiệp Việt Nam 25 I.5 Phân loại robot 25 I.5.1 Phân loại theo kết cấu I.5.1.1 Tay máy kiểu tọa độ đề Mục lục 26 26 Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh I.5.1.2 Tay máy kiểu tọa độ trụ 27 I.5.1.3 Tay máy kiểu tọa độ cầu 28 I.5.1.4 SCARA 29 I.5.1.5 Tay máy kiểu tay người ( Anthropomorphic), 30 I.5.2 Phân loại theo điều khiển 30 I.5.3 Phân loại theo ứng dụng 32 I.6 Cơ sở toán học I.6.1 Hệ tọa độ 33 33 I.6.2 Mối quan hệ hệ tọa độ Descartes hệ tọa độ khác 35 I.6.3 Các phép biến đổi hình học hệ tọa độ descartes 35 I.6.3.1 Phép biến đổi không gian chiều 36 I.6.3.2 Phép biến đổi không gian chiều: 38 I.7 Các toán động học vị trí 40 I.7.1 Các thông số khâu hệ thống tọa độ khâu 40 I.7.2 Bài toán động học thuận tay máy SCARA bậc tự 43 I.7.2.1 Lập bảng thông số DH 44 I.7.2.2 Ma trận biến đổi 44 I.7.2.3 Xác định ma trận Ai theo (*) 45 I.7.2.4 Tính ma trận Ti 46 I.7.2.5 Thiết lập phương trình động học 48 I.7.3 Bài toán động học nghịch 49 Chương 2: Cơ sở xử lý ảnh số 51 II.1 Các vấn đề xử lý ảnh 51 II.1.1 Một số khái niệm Mục lục 51 Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác II.1.2 Các kỹ thuật biễu diễn ảnh II.1.2.1 Biễu diễn ảnh II.2 Vấn đề nhiễu Nguyễn Xuân Vinh 56 56 60 II.2.1 Định nghóa 60 II.2.2 Lọc nhiễu 61 II.2.2.1 Thuật toán lọc tuyến tính 61 II.2.2.2 Thuật toán lọc phi tuyến 63 II.3 Biên kỹ thuật dò biên II.3.1 Phương pháp Gradient 64 65 II.3.1.1 Kỹ thuật gradient 66 II.3.1.2 Toán tử la bàn (Compass Operator) 69 II.3.1.3 Kỹ thuật Laplace 70 II.4 Phân vùng ảnh 72 II.4.1 Phân vùng ảnh dựa theo ngưỡng biên độ 72 II.4.2 Phân vùng theo miền đồng 74 II.5 Lọc kích thước 77 II.6 Trọng tâm hướng ảnh đối tượng 78 II.6.1 Pixel trọng tâm 78 II.7 Ảnh Stereo 80 Chương 3: thi công mô hình tay máy scara bậc tự 83 III.1 Mô hình tổng quan 83 III.1.1 Giới thiệu tay máy SCARA bậc tự 83 III.1.2 Mô hình thiết kế 85 III.2 Thiết kế điều khiển tay máy scara bốn bậc tự 86 III.3 Mặt phẳng làm việc 91 Mục lục Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM A Một số phụ lục khí A.1 Vùng hoạt động tay máy SCARA bậc tự do: khớp quay khớp trụ Hình A.1 Sơ đồ động robot dạng SCARA bậc tự A.2 Cấu tạo vitme bi Hình A.2 Bộ truyền vít me - Rãnh dẫn hướng Tài liệu đính kèm 112 Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh A.3 Cấu tạo truyền động Hamonic Hình A.3 Bánh Hamonic Hình A.4 Bộ truyền bánh sóng a./ bánh cứng ngoài, b./ bánh tạo sóng , c./ bánh mềm d./ hình ăn khơp bánh Tài liệu đính kèm 113 Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh B Phụ lục chương trình : B.1 Chương trình tách ảnh vật khỏi tính toán vị trí , góc quay vật: Tên file: tachvatanhrakhoinen.m function tachvatanhrakhoinen(anhvat) global trongtamvat; global trongtamvat; global xcenter; global ycenter; global theta4; global xvat; global yvat; global xhuongvat; global yhuongvat; global xvat; global yvat; global BW; global trangthai; namefiler1=strcat('C:\MATLAB7\work\lvtn\',anhvat,'.jpg');%anh co vat A5 = bwareaopen(BW,50);% loc bo anh co kich thuoc nho < 50 pixel Igs=A5; %lam da^`y duong bien se=strel('square',30); Id=imdilate(Igs,se); If = imfill(Id, 'holes');%lap ca1c lo^ Ie=imerode(If,se);%lam manh duong bien tro lai S=bwarea(Ie);% loai bo anh dien tich < 10 % Ib = bwareaopen(Ie,round(S*0.1)); [B,L] = bwboundaries(Ib,'noholes');% bao duong bien tron % Tim va ve bien Tài liệu đính kèm 114 Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh for k = 1:length(B) boundary = B{k}; end; Il=get(gcf); stats = regionprops(L,'all'); for k=1:length(B) centroid=stats.Centroid; end BW=Ib; dim = size(BW); % lay kich thuoc cua anh % Tim duong bien phia tren (row1), phia duoi (row2)cua vat, bang cach quet doc %ku=1; canhtren=zeros(1:1,dim(2)); canhduoi=zeros(1:1,dim(2)); for i=1:1:dim(2); row1 = min(find(BW(:,i))); if isempty(row1) row1=0; end canhtren(i)=row1;%luu y' chua gia tri cua y row2 = max(find(BW(:,i))); if isempty(row2) row2=0; end canhduoi(i)=row2;%luu y' chua gia tri cua y end % Tim duong bien phia ben trai (min)va ben phai (max)cua hinh canhtrai=zeros(1:1,dim(1)); Tài liệu đính kèm 115 Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh canhphai=zeros(1:1,dim(1)); for i=1:1:dim(1); col1 = min(find(BW(i,:))); if isempty(col1) col1=0; end canhtrai(i)=col1; %luu y' chua gia tri cua x col2 = max(find(BW(i,:))); if isempty(col2) col2=0; end canhphai(i)=col2; %luu y' chua gia tri cua x end xcenter=centroid(1); ycenter=centroid(2); % xac dinh diem max %tim diem o canh tren [o,p,q] = find(canhtren); % p chua x va` q chua y for i=1:1:length(p), canhcheo1(i)=sqrt((xcenter-p(i))^2 + (ycenter-q(i))^2); %tinh cac khoang cach tu tam canh ben ngoai end canhcheo01=canhcheo1; [o2,p2,q2] = find(canhduoi); % p chua x va` q chua y for i=1:1:length(p2), canhcheo2(i)=sqrt((xcenter-p2(i))^2 + (ycenter-q2(i))^2); %tinh cac khoang cach tu tam canh ben ngoai end Tài liệu đính kèm 116 Điều khiển tay máy SCARA dùng hồi tiếp thị giác Nguyễn Xuân Vinh canhcheo02=canhcheo2; [o,p,q] = find(canhtrai); % p chua y va` q chua x for i=1:1:length(q), canhcheo3(i)=sqrt((xcenter-q(i))^2 + (ycenter-p(i))^2); %tinh cac khoang cach tu tam canh ben ngoai end canhcheo03=canhcheo3; [o2,p2,q2] = find(canhphai); % p chua y va` q chua x for i=1:1:length(q2), canhcheo4(i)=sqrt((xcenter-q2(i))^2 + (ycenter-p2(i))^2); %tinh cac khoang cach tu tam canh ben ngoai end canhcheo04=canhcheo4; [o,p,q] = find(canhtren); % p chua x va` q chua y [ytemp,xtemp]=max(canhcheo1);% tim duong tu tam canh lon nhat x1=p(xtemp); %xac dinh vi tri goc thu y1=q(xtemp); while y1>ycenter canhcheo1(xtemp)=0; [ytemp,xtemp]=max(canhcheo1);% tim duong tu tam canh lon nhat x1=p(xtemp); %xac dinh vi tri goc thu y1=q(xtemp); end x2=x1; y2=y1; while (abs(x2-x1)