PDF de programación - Sistema de Visión Artificial para el Laboratorio de Robótica Virtual

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS

DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL



Departamento de Ingeniería Eléctrica

Sección de Computación



Sistema de Visión Artificial para el

Laboratorio de Robótica Virtual



Tesis que presenta:
Optando por el grado de:
Especialidad:
Opción:

Araujo Díaz David
Maestro en Ciencias
Ingeniería Eléctrica
Computación

Asesor:



Dr. Jorge Buenabad Chávez

Sección de Computación



México, D.F. a 20 de marzo del año 2002











Sistema de Visión Artificial para el Laboratorio de Robótica Virtual

Resumen

Resumen



La invención de todo tipo de máquinas ha tenido el propósito de ayudar al hombre a
controlar su medio ambiente. La complejidad de su diseño y construcción ha aumentado
considerablemente a través del tiempo debido a los avances tecnológicos en diferentes áreas. Los
robots hoy en día pueden realizar tareas que antes solo hacían los humanos, con algunas
ventajas, como que no se cansan y por lo tanto cometen menos errores. Una de las maneras de
que los robots realicen tareas aún más complejas es dotarlos de sistemas de visión, ó análisis
automático de imágenes, que les permita conocer su ambiente de trabajo para poder manipular los
objetos que tengan a su alcance. Además un sistema de visión para robots, junto con la
infraestructura adecuada para utilizarlo en forma remota, permitirá a los interesados realizar
prácticas de manipulación con un robot. Esto es particularmente benéfico dado que un robot y su
infraestructura solo se encuentran disponibles en unas pocas instituciones en nuestro país.


Esta tesis presenta el diseño de un sistema de visión capaz de actualizar el espacio de
trabajo de un robot industrial, permitiendo al Robot conocer la cantidad de objetos presentes en su
mesa de trabajo y otras características importantes como su identidad, posición, orientación y
tamaño. Los objetos pueden ser mostrados a un usuario (local ó remoto) mediante el empleo de
modelos en tres dimensiones realizados con VRML (Virtual Reality Modeling Language), con el
cual se obtuvieron códigos bastante reducidos que viajan a través de Internet de forma rápida. El
sistema se puede integrar con un robot industrial para manipular los objetos encontrados de forma
virtual o real, y de forma local o remota. Se realizaron cuatro aplicaciones para nuestro sistema de
visión: el reconocimiento de figuras geométricas, el reconocimiento de dígitos, el análisis de
movimiento y la estimación de altura de los objetos presentes en el espacio de trabajo de un robot
industrial.



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Araujo Díaz David





Sistema de Visión Artificial para el Laboratorio de Robótica Virtual

Resumen


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Araujo Díaz David





A la memoria de mi abuelita


Raquel Rodríguez Baños


A mis padres



A mis sobrinos


Magdalena Josefa y Mario Israel



Mario Esteban, Erika Jazmín y
Ángel David

Norma Edith, Yamily e Israel


A mis hermanas y hermano



A mis padrinos



Hilda y Eloy


A mis cuñados



Martha Marisela y Mario



A todos mis familiares
por su apoyo y comprensión







A mi asesor:

Dr. Jorge Buenabad Chávez

A los profesores de la Sección de Computación:

Dr. Adriano de Luca Pennacchia

Dr. Arturo Díaz Pérez

Dr. Guillermo Benito Morales Luna

Dr. Jesús Vázquez Gómez

Dr. Sergio Víctor Chapa Vergara

A mis compañeros de la Sección de Computación:

Libertad Rivera Larqué

Sergina Ascelli Shaya Zamudio Vissuet

Armando Flores Ibarra

Carlos Galindo Hernández

Gabriel Ruiz Hernández

Giner Alor Hernández

Marcelino Castañeda Sánchez

Marco Antonio Ortega García

Mizael Sánchez Santiago

Ulises Zaldivar Colado





Sistema de Visión Artificial para el Laboratorio de Robótica Virtual

Contenido

Contenido



Introducción
Resumen

1. Robótica
1.1 Definición de robot
1.2 Arquitectura de robots
1.2.1 Clasificación de robots
1.2.2 Tecnología de funcionamiento
1.2.3 Geometría del espacio de trabajo
1.2.4 Control de movimientos
1.3 Sensores y percepción
1.4 Programación, planificación y aprendizaje
1.5 Integración de robots
1.6 Teleoperación de robots y robótica virtual
1.7 Mercado mundial de robots
Resumen

2. Ambientes Virtuales y VRML
2.1 Ambientes virtuales
2.2 Construcción de ambientes virtuales con VRML (Virtual Reality Modeling
Language)
2.2.1 Un programa en VRML
2.3 Transformaciones en VRML
2.4 Puntos de vista con VRML
2.5 Objetos, líneas y puntos tridimensionales en VRML
2.6 Texto en VRML
2.7 Integración VRML y Java
Resumen

3. Visión Artificial
3.1 Visión artificial
3.2 Adquisición de la imagen
3.3 Preprocesamiento de una imagen
3.4 Extracción de características para la segmentación
3.4.1 Identificación de contornos en una imagen analógica mediante la derivada
3.4.2 Extracción de contornos de una imagen digital mediante derivada
3.4.3 Aproximación de Roberts
3.4.4 Aproximación de Prewitt
3.4.5 Aproximación de Sobel
3.4.6 Operador Laplaciano
3.4.7 Gradiente estocástico
3.5 Segmentación de imágenes
3.5.1 Seguimiento de contornos

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Sistema de Visión Artificial para el Laboratorio de Robótica Virtual

Contenido



3.5.2 Unión de bordes por búsqueda heurística
3.5.3 Transformada de Hough
3.6 Métodos para reconocimiento de patrones
3.6.1 Reconocimiento por ángulos
3.6.2 Reconocimiento por puntos clave
3.6.3 Reconocimiento por cambios de dirección
3.6.4 Reconocimiento por factor de forma
3.6.5 Reconocimiento por calculo de momentos
3.7 Reconocimiento Óptico de Caracteres (OCR)
3.8 Calibración de cámara
3.9 Áreas de aplicación de sistemas de visión en la industria
Resumen

4. Laboratorio de Robótica Virtual
4.1 Laboratorio de Robótica Virtual del CINVESTAV
4.1.1 Robot SCARA UNIMATE S-103
4.2 Modelación para el robot UNIMATE S-103
4.3 Desarrollo del robot virtual
4.4 Visión artificial en robótica
Resumen

5. Diseño e Implementación de un Sistema de Visión
5.1 Motivación
5.2 Aspectos de diseño
5.3 Diseño del sistema de visión
5.4 Análisis del sistema de visión
5.5 Alternativas al acceso remoto
Resumen

6. Tareas del Sistema de Visión
6.1 Reconocimiento de figuras geométricas
6.2 Reconocimiento de dígitos
6.3 Análisis de movimiento
6.4 Estimación de altura
6.5 Calibración de cámara
6.6 Reconstrucción tridimensional con VRML
Resumen

7. Conclusiones y Perspectivas
7.1 Conclusiones
7.2 Perspectivas

Apéndice A: Sistemas de Adquisición de Imágenes
a.1 Captores de imagen según el tipo de transductor fotoeléctrico
a.1.1 Disco de Nipkow
a.1.2 Disertor de imagen o tubo de Fransworth

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Sistema de Visión Artificial para el Laboratorio de Robótica Virtual

Contenido



a.1.3 Iconoscopio, tubo de condensación ó de acumulación
a.1.4 Orticon de imagen
a.1.5 Vidicon
a.1.6 Plúmbicon
a.1.7 Arreglos de dispositivos de transferencias de carga
a.1.8 Arreglos de dispositivos de inyección de cargas
a.2 Composición de las cámaras captadoras de imágenes electrónicas
a.2.1 Separador óptico
a.3 Lentes
Resumen

Apéndice B: Iluminación Estructurada
b.1 Sistemas de iluminación estructurada
b.2 Triangulación
b.3 Implementación de un sensor de características tridimensionales (Hardware)
b.4 Análisis de imágenes (Software)
b.5 Resultados
Resumen

Apéndice C: Transformaciones Geométricas
c.1 Transformaciones geométricas bidimensionales
c.1.1 Traslación
c.1.2 Escala
c.1.3 Rotación
c.1.4 Sesgo
c.1.5 Representación de objetos bidimensionales
c.1.6 Operaciones con transformaciones bidimensionales
c.2 Transformaciones geométricas tridimensionales
c.2.1 Traslación
c.2.2 Escala
c.2.3 Rotación
c.2.4 Sesgo
c.2.5 Proyecciones paralelas
c.2.6 Proyecciones ortográficas
c.2.7 Representación de objetos tridimensionales
c.2.8 Operaciones con transformaciones tridimensionales

Apéndice D: Patrones de Calibración y Figuras Geométricas
d.1 Patrones de calibración de cámara
d.2 Figuras usadas para pruebas de reconocimiento

Apéndice E: Contenido del CD-ROM
e.1 Archivos del CD-ROM
e.2 Directorios del CD-ROM y su contenido

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Sistema de Visión Artificial para el Laboratorio de Robótica Virtual

Contenido

Lista de Figuras



1.1 Robot que utiliza reconocimiento de imágenes
1.2 Tipos de cadenas cinemáticas
1.3 Robot rotacional ó R
1.4 Robot prismático ó P
1.5 Robot prismático – prismático ó PP
1.6 Robot rotacional – prismático ó RP
1.7 Robot cartesiano, prismático – prismático – prismático ó PPP
1.8 Robot cilíndrico, rotacional – prismático – prismático ó RPP
1.9 Robot esférico, rotacional – rotacional – prismático ó RRP
1.10 Robot SCARA, rotacional – rotacional – prismático ó RRP
1.11 Robot antro