TCC I VISÃO COMPUTACIONAL APLICADA EM UM BRAÇO ROBÓTICO ANTROPOMÓRFICO DIDÁTICO

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TCC I - VISO COMPUTACIONAL APLICADA EM UM BRAO ROBTICO ANTROPOMRFICO DIDTICO - DJEILY TAMARA BECKER - FAG - FACULDADE ASSIS GURGACZ

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<ul><li> 1. FACULDADE ASSIS GURGAGZ DJEILY TAMARA BECKER VISO COMPUTACIONAL APLICADA EM UM BRAO ROBTICO ANTROPOMRFICO DIDTICO CASCAVEL 2013 </li></ul><p> 2. 2 FACULDADE ASSIS GURGACZ DJEILY TAMARA BECKER VISO COMPUTACIONAL APLICADA EM UM BRAO ROBTICO ANTROPOMRFICO DIDTICO Projeto de pesquisa apresentado ao curso de graduao em Engenharia de Controle e Automao da Faculdade Assis Gurgacz para elaborao do Trabalho de Concluso de Curso. Orientador: Prof. Esp.Arthur Schuler da Igreja Co-orientador: Maikon Lucian Lenz CASCAVEL 2013 3. 3 SUMRIO 1 TTULO ............................................................................................................4 1.1 TEMA ...............................................................................................................4 1.2 DELIMITAO DO TEMA ................................................................................4 2 PROBLEMA.....................................................................................................5 3 JUSTIFICATIVA...............................................................................................7 4 OBJETIVOS DA PESQUISA .........................................................................16 4.1 OBJETIVO GERAL.........................................................................................16 4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS ..........................................................................16 5 FUNDAMENTAO TERICA.....................................................................17 5.1 AQUISIO DE IMAGENS ............................................................................17 5.2 PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS ...............................................17 5.3 VISO COMPUTACIONAL ............................................................................18 5.4 AMOSTRAGEM E QUANTIZAO................................................................18 5.5 VIZINHOS DE UM PIXEL ...............................................................................19 5.6 CONECTIVIDADE..........................................................................................19 5.7 CALIBRAO ................................................................................................20 5.8 HISTOGRAMA ...............................................................................................21 5.9 MODELOS DE CORES ..................................................................................21 5.9.1 O Modelo RGB...............................................................................................21 5.9.2 O Modelo YIQ.................................................................................................22 5.9.3 O Modelo HSI.................................................................................................22 5.10 LIMIARIZAO..............................................................................................23 5.11 ILUMINAO.................................................................................................24 5.12 COMPONENTES DE UM ROB INDUSTRIAL..............................................25 5.13 CLASSIFICAO GEOMTRICA DE ROBS INDUSTRIAIS.......................25 5.14 CINEMTICA DE UM BRAO ROBTICO....................................................26 5.14.1 Cinemtica Direta...........................................................................................28 5.14.2 Cinemtica Inversa.........................................................................................29 6 METODOLOGIA ............................................................................................30 6.1 MATERIAIS....................................................................................................30 6.2 MTODOS .....................................................................................................30 7 CRONOGRAMA ............................................................................................34 8 REFERNCIAS..............................................................................................35 4. 4 1 TTULO Viso Computacional Aplicada em um Brao Robtico Antropomrfico Didtico. 1.1 TEMA Fazer o reconhecimento de objetos baseado em um sistema de viso computacional que ser responsvel por referenciar o controle de trajetria de um brao robtico didtico. 1.2 DELIMITAO DO TEMA Desenvolver um sistema capaz de capturar as imagens de uma cena em um ambiente estruturado e process-las em tempo real de maneira que seja possvel extrair as informaes pertinentes ao objeto a ser reconhecido do restante da imagem. Baseado nessas informaes fazer a integrao com o controle de trajetria do manipulador robtico antropomrfico. 5. 5 2 PROBLEMA Os sistemas de viso computacional esto aos poucos conquistando seu espao em ambientes industriais [1]. O conceito de um sistema artificial de viso possibilitar a execuo das mesmas tarefas exercidas pelo olho humano certamente um grande avano tecnolgico. Uma definio apropriada para a tcnica de viso computacional, que pode ser classificada como a ao de um determinado atuador em funo de imagens coletadas em tempo real e devidamente processadas. A implantao desse tipo de sistema requer estudo e aplicao de tcnicas que abrangem desde a estrutura do local, principalmente no que se refere iluminao, aquisio e processamento de imagens, at o controle do atuador. Mesmo com os avanos da viso computacional e com uma gama maior de produtos industrializados comum ver pessoas realizando inspees em linhas de produo principalmente em indstrias de pequeno e mdio porte [1]. A inspeo pode ter como objetivo aspectos diversos tais como: padro de cores, tamanhos, integridade dos objetos e muitas outros que depender do tipo do produto inspecionado. Quando realizada por humanos, a anlise pode ser feita de forma no estruturada. O olho humano tem alta capacidade de adaptao ao meio, reagindo rapidamente s variaes do ambiente, porm, aes humanas possuem limitaes fsicas e psicolgicas, como por exemplo, fadiga e falta de ateno, alm dos riscos elevados que alguns processos podem causar s vidas humanas. Por outro lado, sistemas de viso artificial avaliam mltiplas caractersticas em alta velocidade e podem ser inseridos em ambientes de risco. Geralmente estes necessitam de um ambiente com condies controladas, como: iluminao conhecida, campo de viso, ngulos de cmera e objetos de interesse do segmento. O processo de inspeo geralmente repetitivo e muitas vezes com produtos complexos de serem analisados. Sendo assim, fazer a inspeo de forma inadequada, ou at mesmo deixar de averiguar alguns itens da linha so falhas gravssimas no que diz respeito produo [2]. Segundo [2], a inspeo humana mostra taxas de efetividade entre 80% e 90% e declinando rapidamente apenas meia hora aps o incio da jornada de trabalho. Estes dados so apenas para verificao de um nico tipo de defeito. 6. 6 Fonte: [1] Figura 1 - Processo de Inspeo no automatizada. Outro grande desafio enfrentado em ambientes industriais a quantidade de sensores utilizados para um nico processo. No caso de aplicaes de manuseio de materiais, a pea transportada deve ser apresentada a um rob com uma posio e orientao conhecida pelo mesmo, dentro da clula de trabalho [3]. O uso de vrios sensores para o posicionamento correto do produto acaba gerando uma quantidade elevada de variveis a serem analisadas. Pela dinmica econmica atual cada vez mais reduzido o ciclo de alterao dos produtos industrializados, demandando linhas de produo capazes de serem re-configuradas com agilidade. Nesse contexto o uso de sistemas de viso computacional ganham ainda mais fora. 7. 7 3 JUSTIFICATIVA As aplicaes que envolvem o uso de processamento de imagens esto presentes em vrios cenrios, como: ambientes industriais, sistemas de segurana para transporte e tecnologia mdica. Em ambientes industriais os sistemas de viso de mquina podem ser empregados em controle de qualidade de praticamente todos os setores, desde monitores de computador at as superfcies de componentes de transmisso para placas de circuito impresso para celulares [4]. Fonte: [4], traduzida pelo autor. Figura 2 - Principais aplicaes em viso computacional. Em pases como a Alemanha os investimentos e avanos no ramo da viso computacional, mostram-se maiores que pases do continente americano. A Figura 3 ilustra estatsticas de 2001 a 2011 sobre o volume de negcios em viso de mquina na Alemanha. 8. 8 Fonte: [5], traduzida pelo autor. Figura 3 - Volume de negcios em viso computacional na Alemanha ( Domstico + Exportaes). A Figura 3 representa o volume de negcios de mais de trs mil empresas em 70 segmentos industriais de sistemas de viso computacional domstico e exportaes. A taxa de retorno de investimento de 2001 a 2011 representada pela sigla CAGR (Compound Annual Growth Rate Taxa Composta Anual de Crescimento) foi de 8,5%. Dados estes levantados da entidade empresarial alem VDMA (Verband Deutscher Maschine und Anlagenbeu Federao Alem de Engenharia). O Grfico 4 mostra um crescimento do volume de negcios moderado de 2011 para 2012 se comparado aos outros anos. 9. 9 Fonte: [5], traduzida pelo autor. Figura 4 Crescimento moderado no volume de negcios em viso computacional na Alemanha em 2012 (domstico + exportaes). possvel notar que no ano de 2009 houve uma queda considervel do volume de negcios, voltando a estabilizar no ano seguinte. Essa baixa se deve crise mundial enfrentada nesse perodo. Segundo [6], o estudo de mercado mostra claramente que a indstria europeia de viso de mquina tem visto uma recuperao muito forte aps o ano de crise de 2009. O volume de negcios do setor europeu de viso de mquina cresceu 35% em 2010. Uma comparao relacionando o crescimento no volume de negcios em viso de mquina entre todos os continentes ilustrada na Figura 5. 10. 10 Fonte: [5], traduzida pelo autor. Figura 5 Comparao do crescimento em volume de negcios de viso de mquina entre os continentes. Os continentes Americano e Asitico em 2011 apresentaram um aumento significativo nos negcios de viso computacional em relao Alemanha e o continente Europeu. A inspeo de produtos geralmente se encontra em processos repetitivos e o uso de mquinas neste mbito extremamente vantajoso. Assim, os sistemas de viso aplicados esses cenrios so recomendados pela preciso, confiabilidade e velocidade, trazendo vantagens no aumento de produtividade, melhorias no controle de qualidade, diminuio drstica de desperdcios, inspeo de 100% dos produtos, segurana, feedback do processo produtivo,alm de fazer o registro das inspees e visualizao de estatsticas de produo. A Figura 6 apresenta uma linha de produo com um nico tipo de produto em um ambiente totalmente estruturado. Sendo extremamente rpido, o procedimento pode ser feito em milsimos de segundos, atividade que est fora da capacidade humana. Assim, a cmera capaz de capturar, processar e propiciar parmetros para a execuo de tarefas do manipulador. 11. 11 Fonte [7]. Figura 6 Processo de Inspeo por viso computacional. A integrao de um sistema de viso computacional atravs de mecanismos robticos resulta em aprimoramento da inspeo de produtos em linhas de produo alm de reduzir de forma drstica o uso de componentes, como sensores de: proximidade, posio e orientao [3]. Quando acoplado um sistema de viso artificial, o manipulador ganha sentido e percepo sensorial de forma ampla pela riqueza de informaes que uma imagem pode conter. Enquanto sensores de proximidade tato torque e fora desempenham um importante papel na melhoria do desempenho de robs, viso de mquina reconhecidamente, a mais completa capacidade de sensoriamento utilizada [13]. Segundo [8] o aumento das vendas de robs em 2011 foi de 38%, sendo vendidas 166.028 unidades em todo o mundo, apresentando o crescimento mais significativo em relao aos outros anos, principalmente na indstria automobilstica e metal. Os pases com maior crescimento foram China, Estados Unidos e Alemanha com taxas entre 39% e 51%. Foram fornecidos para a Alemanha 19.533 novos robs industriais, o maior mercado de robs na Europa. Mesmo com a crise enfrentada em 2009 esse continua sendo o maior nmero j registrado para um ano, cerca de 45% da oferta total para a Europa. Contudo esses pases no superam os maiores mercados, Japo e Coria do Sul que cresceram abaixo da mdia no ano de 2011. 12. 12 Tabela 1 Estimativa do crescimento anual em vendas de robs industriais. PASES 2010 2011 2012* 2015* America 17.114 26.227 30.600 35.100 Amrica do Norte (Canada, Mexico, USA) 16.356 24.341 28.000 31.000 Amrica Cetral e Sul 758 1.886 2.600 4.100 Asia/ Australia 69.833 88.698 98.900 116.700 China 14.978 22.577 26.000 35.000 India 776 1.547 2.000 3.500 Japo 21.903 27.894 31.000 35.000 Repblica da Cora 23.508 25.536 26.800 25.000 Taiwan 3.290 3.688 4.400 5.500 Thailand 2.450 3.453 4.100 7.000 Outros Asia/Australia 2.928 4.003 4.600 5.700 Europa 20.483 43.826 44.100 47.200 Repblica Tcheca 402 1.618 2.000 3.000 Frana 2.049 3.058 3.300 3.500 Alemanha 14.061 19.533 19.000 20.000 Itlia 4.517 5.091 4.600 4.900 Espanha 1.897 3.091 2.500 3.000 Reino Unido 878 1.514 2.000 2.200 Outros Europa 6.937 9.921 11.100 10.600 Africa 259 323 350 500 Total** 120.585 166.028 180.950 207.500 Fonte: IFR, Associao nacional de robs. *Previso **Incluindo vendas que no so especificadas por pases. Fonte: [8], traduzida pelo autor. O continente americano apresenta o maior crescimento j registrado com 53%, o que representa 26.200 unidades de robs vendidos no ano de 2011. No Brasil as vendas subiram para 1.440 unidades, 125% a mais que 2010. Aps a recuperao em 2010 os pases da sia, a Austrlia e a Nova Zelndia se destacaram com um aumento de 132%, cerca de 88.700 unidades, j em 2011 os nveis de crescimento para esses pases foram mais moderados com taxas de 27%. 13. 13 Fonte: [8], traduzida pelo autor. Figura 7 Estimativa mundial anual de embarques de robs industriais Em 2011, o Japo foi novamente o maior mercado de robs no mundo. O fornecimento destes continuou em recuperao e aumentou em 27% quase 28 mil unidades. A Coria do Sul teve um aumento nas vendas de robs em 9%, 25.536 unidades. O aumento das vendas para todos os setores envolvidos com a produo de robs aumentou em 37% no ano 2011, exceto para o setor automotivo, eltrica e eletrnica. A Figura 8 mostra uma estimativa do fornecimento de produtos anual em todo mundo para robs industriais. 14. 14 Fonte: [8], traduzida pelo autor. Figura 8 Estimativa do fornecimento de produtos anual mundial para robs industriais. Os valores acima demonstrados no incluem o custo de software, perifricos e engenharia de sistemas, a nvel mundial, o valor para estes se aproximaria de 25,5 milhes de dlares para o ano de 2011. Segundo a IFR (International Federation of Robotics - Federao Internacional de Robtica), a China deve se tornar o maior consumidor mundial de robs em dois anos, devido queda do preo dos robs e o aumento dos salrios. O custo dos operadores est com quase a mesma proporo da aquisio de novos r...</p>