«ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΛΟί ΙΣΜΙΚΟΥ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Κ ΑΙ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗ0ΕΙΛ ΕΝΟΣ Σ \ ΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΡΑΣΗΣ ΣΤΟ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΧΩΡΟ ΕΝΟΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΊ ΒΡΑΧΙΟΝΑ»

Transcript

1 Βιομηχανική Πληροφορική ΤΕ1 ΚΑΒΑΛΑΣ «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΛΟί ΙΣΜΙΚΟΥ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Κ ΑΙ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗ0ΕΙΛ ΕΝΟΣ Σ \ ΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΡΑΣΗΣ ΣΤΟ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΧΩΡΟ ΕΝΟΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΊ ΒΡΑΧΙΟΝΑ» Πτυχιακή Εργασία TALOS Παντελής Ντυμένος ΑΕΜ:1124 Εττιβλέπων Καθηγητής: Δρ. Θεόδιορος ΙΙαχίδης ΚΑΒΑΛΑ 200Ν

2 Βιομηχανική Πληροφορική ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΕΝΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΟΡΑΣΗΣ ΣΤΟ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΧΩΡΟ ΕΝΟΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΟΥ ΒΡΑΧΙΟΝΑ» Πτυχιακή Εργασία TALOS Παντελής Ντυμένος ΑΕΜ: 1124 Επιβλέπων Καθηγητής: Δρ. Θεόδωρος Παχίδης ΚΑΒΑΛΑ 2008

3 Ευχαριστίες Αισθάνομαι υποχρεωμένος να ευχαριστήσω όλους όσους με βοήθησαν στην ολοκλήρωση της πτυχιακής και ιδιαίτερα τον Δρ. Θεόδωρο Παχίδη για την πολύτιμη βοήθεια που προσέφερε. Ακόμα οφείλω ευχαριστίες στους γονείς μου στην υπόλοιπη οικογένεια μου και στη Χριστίνα για την υποστήριξη που προσέφεραί'.

4 Πτυχιακή με Θέμα: Η πτυχιακή εργασία αφορά πρώτα στη βιβλιογραφική αναζήτηση ή αναζήτηση μέσω του διαδικτύου για την εύρεση των δυνατοτήτων και των μεθόδων που έχουν προταθεί από την επιστημονική κοινότητα για την προστασία και την ασφάλεια των εργαζομένων στο χώρο εργασίας ενός ρομποτικού βραχίονα. Η έρευνα αφορά ετήσης το σχετικό λογισμικό που χρησιμοποιείται σε ανάλογες εφαρμογές. Ένα σύστημα όρασης παρακολουθεί συνεχώς το χώρο εργασίας του ρομπότ. Ο χώρος αυτός με τη βοήθεια του λογισμικού που αναπτύχθηκε χωρίζεται σε εικονικές ζώνες διαφορετικού βαθμού επικινδυνότητας. Αν κάποιο αντικείμενο περάσει στο χώρο ελέγχου τότε ανάλογα με τη ζώνη ελέγχου μειώνεται η ταχύτητα κίνησης του βραχίονα και σταματάει τελικά η κίνησή του αν το αντικείμενο περάσει στη μικρότερη ζώνη ελέγχου. Το ρομπότ επανέρχεται στην πλήρη κατάσταση κίνησης όταν απομακρυνθεί το ανπκείμενο από την περιοχή ελέγχου. Το SCORBOR-ER VPLUS που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια ελέγχου λειτουργίας του συστήματος εκτελεί συνεχώς κάποια εφαρμογή με μεγάλη ταχύτητα. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε αποτελείται από δύο τμήματα. Το πρώτο αναπτύχθηκε στη γλώσσα προγραμματισμού Visual C++ της Microsoft και περιλαμβάνει την κλάση σειριακής επικοινωνίας με το ρομποτικό ελεγκτή και το πρόγραμμα βαθμονόμησης του συστήματος όρασης καθώς και το πρόγραμμα συλλογής εικόνων και άντλησης από αυτές της χρήσιμης πληροφορίας. Περιλαμβάνει επίσης τη μετατροπή της πληροφορίας αυτής σε εντολές αναγνωρίσιμες από το ρομποτικό ελεγκτή και το ρομπότ. Το δεύτερο τμήμα αναπτύχθηκε στη γλώσσα προγραμματισμού ACL που χρησιμοποιείται από τους ρομποτικούς βραχίονες SCORBOT-ER VPLUS

5 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 Εισαγοιγή 1.1 Περίληψη Σελ Εισαγωγή στα ρομπότ Σε/ Βιομηχανικά ρομπότ Σελ Συστήματα ασφαλείας Σε/ Η λύση που προτείνεται Σε/.. 14 Κεφάλαιο 2 Σύστημα ασφαλείας Talos 2.1 Περίληψη Σελ Θεωρητική ανάλυση Σε/ Παρουσίαση των εργαλείων που χρησιμοποιήθηκαν Σελ Η βιβλιοθήκη OpenCV Σελ Η βιβλιοθήκη CvCam Σε Ανίχνευση αντικαμένων με την OpenCV Σελ αλγόριθμος επεξεργασίας εικόνας του Talos Σελ. 49 Κεφάλαιο 3 Το πρόγραμμα Talos 3.1 Περίληψη Σελ Εγκατάσταση του Talos Σελ Εγχειρίδιο χρήσης Σελ. 54 Κεφάλαιο 4 Πειραματικά αποτελέσματα 4.1 Περίληψη Σελ Βαθμός απόκρισης του συστήματος Σελ Χωρισμός σε ζώνες Σελ Τα προγράμματα του Scorbot Σελ. 71 Κεφάλαιο 5 Πηγαίος Κώδικας Σελ. 73 Κεφάλαιο 6 Βιβλιογραφία Σελ. 144

6 1 Εισαγωγή 1.1 Περίληψη κεφαλαίου Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή σε βασικές έννοιες που αφορούν στα ρομπότ γενικά, δίνοντας μεγάλη έμφαση στα βιομηχανικά ρομπότ. Χωρίζονται σε κατηγορίες όλοι οι πιθανοί κίνδυνοι που συναντώνται σε ένα ρομποτικό χώρο. Περιγράφεται η ανάγκη για ύπαρξη ασφάλειας σε χώρους εργασίας ρομπότ και σε συνδυασμό με το πρώτο ατύχημα που καταγράφηκε παρατίθενται όλες οι θεωρητικές λύσεις παροχής ασφάλειας σε αυτούς. Στη συνέχεια μετά από έρευνα που προηγήθηκε γίνεται αναφορά σε συστήματα παροχής ασφάλειας που έχουν υλοποιηθεί και εφαρμόζονται σε χώρους ερτ/ασίας σήμερα. Το κεφάλαιο κλείνει με την γενική περιγραφή του συστήματος ασφάλειας που αναπτύχθηκε στη παρούσα πτυχιακή εργασία.

7 Ιύστημα ΐίαφα/,!',ία>; ρομποτικού (βραχίονα - Talos Κεφάλαιο Εισαγωγή στα ρομπότ Το λεξικό "Webster's Seventh New Collegiate Dictionary" ορίζει το ρομπότ ως "ένα αυτόματο μηχάνημα ή συσκευή, το οποίο εκτελεί λειτουργίες που συνήθως αναθέτονται σε ανθρώπινα όντα ή λειτουργεί με σχεδόν ανθρώπινη ευφυΐα" [8], Το Ινστιτούτο Ρομποτικής της Αμερικής (Robot Institute of America) είναι τηο ακριβές: "Ρομπότ είναι ένας επαναπρογραμματιζόμενος πολυλειτουργικός χειριστής σχεδιασμένος να μετακινεί υλικά, αντικείμενα, εργαλεία ή ειδικές συσκευές, μέσω μεταβλητών προγραμματιζόμενων κινήσεων για την εκτέλεση ποικίλων καθηκόντων". Για να μπορεί να θεωρηθεί ένα μηχάνημα ρομπότ, θα πρέπει να έχει την ικανότητα να λειτουργεί αυτόματα, μόνο του. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να υπάρχει ενσωματωμένη ευφυΐα, ή προγραμματιζόμενη μνήμη, ή απλά μια διάταξη ρυθμιζόμενων μηχανισμών που ελέγχουν χειρισμούς. Ο όρος ρομπότ μπήκε στο αγγλικό λεξιλόγιο με τη μετάφραση του θεατρικού έργου R.U.R (Rossum's Universal Robots) του Karel Capek. Ο Capek ήταν Τσέχος και στη μητρική του γλώσσα η λέξη ρομπότ σήμαινε απλά "εργάτης". Στο έργο, ρομπότ ήταν ανθρωποειδή δημιουργήματα του Rossum και του γιου του, που κατασκευάστηκαν με την ελπίδα ότι θα λειτουργούσαν υπάκουα στην υπηρεσία του ανθρώπου. Τώρα, χάρη στον Karel Capek και μια γενιά συγγραφέων επιστημονικής φαντασίας, όλοι ξέρουν τι είναι ένα ρομπότ. Η κοινή αντίληψη είναι ότι πρόκειται για ένα μηχανικό άνθρωπο, παραγεμισμένο από σχεδόν θαυματουργά εξαρτήματα, που μπορεί να μιμείται αδέξια ανθρώπινες πράξεις και ομιλία. Τα ρομπότ πιστεύεται γενικά ότι συνδυάζουν υπεράνθρωπη δύναμη με ευφυΐα κατώτερη της ανθρώπινης. Στα ρομπότ συχνά αποδίδονται μοχθηρές προθέσεις, κι έτσι το θέαμα ενός στρατού από ρομπότ που βαδίζουν εναντίον της ανθρωπότητας ήταν ένα πολύ δημιοφιλές και επαναλαμβανόμενο μοτίβο στο χώρο της επιστημονικής φαντασίας [11]. Ευτυχώς ο Isaac Asimov τη δεκαετία του 194Θ [12] ανέλαβε προσωπικά να δώσει μια πιο χαρούμενη εικόνα για τα ρομπότ. Τα ρομπότ του Asimov ήταν καλοπροαίρετα. Σε μια σειρά από ευφυείς και γοητευτικές ιστορίες για ρομπότ, ο Asimov απαίτησε από τους επιστήμονες της ρομποτικής να έχουν τη σοφία να σχεδιάζουν ρομπότ με απαραβίαστο κύκλωμα ελέγχου, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ότι "μένουν στη θέση τους". Οι Τρεις Νόμοι της Ρομποτικής εξακολουθούν να είναι αξιόλογοι κανόνες σχεδιασμού:

8 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos 1. Ένα ρομπότ δε πρέπει να βλάπτει ένα ανθρώτπ,νο ον ούτε να επιτρέπει, μέσω απραξίας, να συμβεί σε κάποιον κακό. 2. Ένα ρομπότ πρέπει πάντα να υπακούει στα ανθρώπινα όντα, εκτός αν αυτό έρχεται σε αντίθεση με τον πρώτο νόμο. 3. Ένα ρομπότ πρέπει να προστατεύει τον εαυτό του από βλάβες, εκτός αν αυτό έρχεται σε αντίθεση με τον πρώτο ή το δεύτερο νόμο. Ο Capek μας έδωσε το "ρομπότ". Ο Asimov έπλασε το όνομα του κλάδου "ρομποτική" και έδωσε σε όλους τους επιστήμονες τους ηθικούς κανόνες ρομποτικής. Γιατί Ρομπότ; Τα ρομπότ είναι ιδανικά για εργασίες μη ευχάριστες ή επικίνδυνες, όπως είναι λ.χ. το βάψιμο με ψεκασμό ή ο χειρισμός ραδιενεργών ουσιών. Επίσης τα ρομπότ μπορούν να εκτελούν ανιαρές εργασίες που επαναλαμβάνονται που όμως είναι απλές και συνήθως χρειάζονται ανειδίκευτους εργάτες. Εργασίες που απαιτούν εξυπνάδα και δημιουργικότητα δεν μπορούν γενικά να εκτελεστούν από τα σημερινά ρομπότ. Έτσι μπορούμε να πούμε, ότι τα ρομπότ δίνουν τη δυνατότητα (ή την ευκαιρία) στον άνθρωπο να απασχολείται σε εργασίες που μπορεί να εκτελεί καλύτερα. Το κύριο πλεονέκτημα του ρομπότ είναι η ευελιξία του. Μπορεί να προσαρμοστεί σε διάφορα προϊόντα στην ίδια γραμμή παραγωγής, όπως απαιτούν οι αλλαγές της αγοράς και να επαναπρογραμματιστεί έτσι ώστε να είναι κατάλληλο για μικρές ή μεγάλες μεταβολές του παραγόμενου προϊόντος. Έτσι προσφέρει στη βιομηχανία μαζικής παραγωγής ένα τρόπο να αντιμετωπίζει τις μεταβολές της απαιτούμενης ποσότητας ή του τύπου του προϊόντος που παράγεται. Στη βιομηχανία μικρής κλίμακας προσφέρει την ευκαιρία ή τη δυνατότητα ενός μεγάλου άλματος στην παραγωγικότητα, ενώ συνεχίζα να παράγει σε μικρές ποσότητες, έτσι ώστε να (,ιπορεί σε μερικές περιπτώσεις να ανταγωνιστεί μεγαλύτερες βιομηχανίες. Τι κερδίζουμε με τα ρομπότ: ο Αντικατάσταση του ανθρώπου σε χειρονακτικές εργασίες ο Βελτίωση της ποιότητας παραγωγής ο Αύξηση απόδοσης

9 Ιύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο 1 Αντικατάσταση του ανθρώπου σε χειρονακτικές εργασίες Το κύριο σημείο που δικαιολογεί το κόστος ενός ρομποτικού συστήματος είναι η αντικατάσταση της χειρωνακτικής εργασίας. Οι βιομήχανοι ενδιαφέρονται να προστατέψουν τους εργάτες από επικίνδυνες συνθήκες εργασίας, αλλά το βασικό τους κίνητρο είναι η μείωση ου εργατικού κόστους, που προκύπτει με την αντικατάσταση ενός εργάτη με ένα ρομπότ - ιδίως όταν ένα ρομπότ μπορεί να λειτουργεί σε περισσότερες από μία βάρδιες, μειώνοντας ακόμα περισσότερο το εργατικό κόστος Βελτίωση της ποιότητας Αν η εργασία εκτελείται σε επικίνδυνο περιβάλλον, ή είναι απαιτητική σωματικά, ή είναι μονότονη και προξενεί πνευματική αδράνεια, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα η ποιότητα να επηρεάζεται από τη διάθεση του εργάτη. Το ρομπότ έχει τη δυνατότητα να είναι πιο σταθερό στην εργασία και έτσι μπορεί να παράγει αποτέλεσμα υψηλής ποιότητας. "Το ρομπότ είναι πολύ χαζό για να το νοιάζεμ αλλά είναι αρκετά έξυπνο για να το κάνει καλύτερα". Αύξηση απόδοσης Υψηλότερη ποιότητα σημαίνει φυσικά περισσότερη καθαρή απόδοση, όταν το ρομπότ δουλεύει αρκετά γρήγορα ώστε να φτάνει την απόδοση ενός εργάτη. Πάντως υπάρχουν συχνά συνθήκες, όπου ένα ρομπότ μπορεί να δουλέψει γρηγορότερα και να αυξήσει και το ακαθάριστο προϊόν.

10 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφά/χίΐο Βιομηχανικά ρομπότ Ο όρος βιομηχανακό ρομπότ (industrial robot) καθιερώθηκε το 1954 από τον G.C. Devol (ΗΠΑ). Ο Devol περίγραψε πως μπορεί να κατασκευαστεί ένα ελεγχόμενο μηχανικό χέρι το οποίο μπορεί να εκτελεί διάφορες εργασίες στη βιομηχανία. Το πρώτο βιομηχανικό ρομπότ κατασκευάστηκε και τέθηκε σε Εικ. 1.1 Παρουσίαση ενός λειτουργία το 1961 από την εταιρία Unimation, έκτοτε κοινού βιομηχανικού έχουν τεθεί σε λειτουργία χιλιάδες ρομπότ στην Αμερική, την Ιαπωνία και την Ευρώπη [3]. Τα βιομηχανικά ρομπότ είναι εξελιγμένα συστήματα αυτοματισμού που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικό υπολογιστή για τον έλεγχό τους. Σήμερα οι υπολογιστές αποτελούν ένα ουσιαστικό μέρος του βιομηχανικού αυτοματισμού. Κατευθύνουν γραμμές παραγωγής και ελέγχουν συστήματα κατασκευής (λ.χ. εργαλειομηχανές, συγκολλητές, κοπτικές διατάξεις Laser, κ.ά.) [3]. Προβλέπεται ότι στο τέλος του εικοστού πρώτου αιώνα, κάθε εργασία των βιομηχανιών μαζικής παραγωγής, από τη σχεδίαση ενός προϊόντος μέχρι την κατασκευή, συναρμολόγηση και τον έλεγχο της ποιότητάς του, θα κατευθύνεται και θα ελέγχεται από υπολογιστές και θα εκτελείται από κατάλληλη ρομπότ και ευφυή συστήματα. Εδώ σημειώνεται ότι η πλήρης αυτή αυτοματοποίηση δεν είναι παρά μια νέα φάση της βιομηχανικής επανάστασης που άρχισε στην Ευρώπη πριν από δύο αιώνες και πέρασε από η ς ακόλουθες φάσεις: Φάση 1η: Εμφάνιση απλών μηχανών παραγωγής (1770) Φ άση 2η: Σταθεροί αυτόματοι μηχανισμοί και γραμμές μεταφοράς μαζικής παραγωγής (αρχές 20ού αιώνα). Φ άση 3η: Εμφάνιση εργαλειομηχανών με απλό αυτόματο έλεγχο Φάση 4η: Εισαγωγή της τεχνολογίας αριθμητικού ελέγχου (NC: Numerical Control) των εργαλειομηχανών (1952). Φάση 5η: Εμφάνιση αριθμητικού ελέγχου εργαλειομηχανών με τη βοήθεια υπολογιστών (1970). Έ νας μίνι υπολογιστής χρησιμοποιήθηκε σαν βασικό τμήμα του συστιίματος υπολογιστικού ελέγχου (CNC: Computerized numerical Control).

11 Ιύστημα (ίσφα/χίιις ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο Συστήματα ασφάλειας ρομπότ Το Πρόβλημα Το 1981, ο Κέντζι Ουράτα. 37χρονος Ιάπωνας βιομηχανικός εργάτης, σκαρφάλωσε πάνω από δίχτυ ασφαλείας για να πραγματοποιήσει προγραμματισμένες εργασίες συντήρησης σε μεγάλο βιομηχανικό ρομπότ. Στη βιασύνη του, ο Κέντζι δεν έσβησε, όμως, σωστά το ρομπότ. Αδυνατώντας να εντοττίσει την παρουσία του Κέντζι, το πανίσχυρο υδραυλικό μπράτσο του ρομπότ συνέχισε τη λειτουργία του και έσπρωξε τον άτυχο μηχανικό μέσα σε συσκευή κοπής. Ο θάνατός του, έκανε τον Ουράντα το πρώτο καταγεγραμμένο ανθρώπινο θύμα ενός ρομπότ [4]. Αυτό το βιομηχανικό ατύχημα δεν θα είχε συμβεί σε έναν κόσμο, όπου η συμπεριφορά των ρομπότ θα υπάκουε στους Τρεις Νόμους της Ρομποτικής, όπως τους περιέγραψε ο συγγραφέας επιστημονικής φαντασίας Ισαάκ Ασίμοφ. Οι Νόμοι παρουσιάστηκαν για πρώτη φορά στο Εικ. 1.2 Παράσταση ατυχήματος από την είσοδο ενός εργαζόμενου στο ρομποτικό χώρο ενός ρομποτικού βραχίονα. βιβλίο «Εγώ, το Ρομπότ», συλλογή διηγημάτων, που εκδόθηκε το μεταφέρθηκε πρόσφατα στην κινηματογραφική οθόνη από το Χόλυγουντ. Δεκαετίες μετά την πρώτη περιγραφή τους, οι Νόμοι που σχεδιάσθηκαν κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να εξασφαλίζουν την ασφάλεια του ανθρώπου από τις ενέργειες - ή την απραξία - των ρομπότ, παραμένουν ανενεργοί [4,5], Παρά την υιοθέτηση βεληωμένων μηχανισμών ασφάλειας, τα ρομπότ έχουν προκαλέσει πολλά ανθρώπινα θύματα από το Άνθρωποι καταπλακώθηκαν, χτύπησαν τα κεφάλια τους, κάηκαν ή δέχθηκαν ακόμη και φορτία λιωμένου αλουμινίου πάνω τους, από δυσλειτουργίες ρομπότ. Το 2005, η Βρετανία κατέγραψε 77 ατυχήματα, στα οποία ενεπλάκησαν ρομπότ.

12 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Τα ρομποτικά συστήματα περιλαμβάνουν μηχανισμούς ελεγχόμενους από υπολογιστές, που μπορούν να κινηθούν με υψηλή ταχύτητα και να ασκήσουν μεγάλη δύναμη, γι αυτό οι χρήστες θα πρέπει να τα χρησιμοποιούν σεβόμενοι τις διατάξεις ασφάλειας. Συνιστάται η μελέτη του "American National Standard for Industrial Robot Systems - Safety Requirements", που έχει εκδοθεί από το Σύνδεσμο Βιομηχανιών Ρομπότ, σε συνεργασία με το Αμερικάνικο Εθνικό Ινστιτούτο τυποποίησης. Η έκδοση περιλαμβάνει οδηγίες για την εγκατάσταση ρομποτικών συστημάτων, τα μέτρα ασφάλειας, τη συντήρηση, τον έλεγχο, την εκκίνηση των συστημάτων και την εκπαίδευση χειριστών [4]. Τα μέτρα ασφάλειας πρέπει να αποτελούν απαραίτητο τμήμα της σχεδίασης του ρομποηκού χώρου, της εγκατάστασης, της εκπαίδευσης χειριστών και της λειτουργίας τους. Τα ρομποηκά συστήματα έχουν συνήθως διάφορα χαρακτηριστικά που ετατρέπουν τη λήψη μέτρων ασφαλείας. Τέτοια είναι το κύκλωμα που επιτρέπει την διακοπή λόγω κινδύνου από απόσταση και οι ψηφιακές γραμμές εισόδου και εξόδου. Τα ρομπότ ελέγχονται από υπολογιστή, και το πρόγραμμα που τα οδηγεί μπορεί να τα κάνει να κινηθούν σε χρόνο ή/και σε τροχιά απροσδόκητη για το προσωπικό. Κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης του προγράμματος είναι συνήθως αναμμένοι κάποιοι διακόπτες στην κονσόλα του ρομπότ: α) αυτός που δείχνη ότι υπάρχα παροχή ισχύος στο βραχίονα και β) αυτός που δείχνει ότι εκτελείται κάποιο πρόγραμμα. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να αποφεύγεται η είσοδος στο χώρο εργασίας, γιατί το ρομπότ μπορεί να εκτελέσει απροσδόκητες κινήσεις. Τα ρομπότ μπορούν να ελεγχθούν και χειροκίνητα. Στην περίπτωση αυτή η εντολή για την κίνηση μπορεί να δοθεί είτε από την κονσόλα ελέγχου είτε από το χειριστήριο διδασκαλίας. Αν κάποιος βρίσκεται μέσα στο χώρο εργασίας και χρησιμοποιεί το χαριστήριο διδασκαλίας, υπάρχει ο κίνδυνος να δώσει κάποιος άλλος από το πληκτρολόγιο της κονσόλας μια απροσδόκητη εντολή κίνησης. Για να αποφευχθεί ο κίνδυνος αυτός, υπάρχει συνήθως ειδικός διακόπτης πάνω στο χειριστήριο διδασκαλίας, μέσω του οποίου απενεργοποιείται η δυνατότητα κίνησης του ρομπότ από άλλο. Συνήθως τα συστήματα αυτά προγραμματίζονται για να ελέγχουν, εκτός του ρομπότ, και άλλο εξοπλισμό και συσκευές. Όπως και με το ρομπότ, το πρόγραμμα που ελέγχει τις συσκευές μπορεί να τις ενεργοποιεί σε στιγμές μη αναμενόμενες από το προσωπικό. Γι' αυτό είναι πολύ σημαντικό να υπάρχουν

13 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο 1 μέτρα ασφάλειας που να εμποδίζουν την είσοδο του προσωπικού στο χώρο εργασίας, όταν εκτελείται κάποιο πρόγραμμα. Συνιστάται η λήψη επιπλέον μέτρων, όπως φωτοκύτταρων, εισόδων ασφαλείας ή χαλιών ασφαλείας που να ενεργοποιούνται όταν κάποιος προσπαθεί να εισέλθει στο χώρο εργασίας, ενώ το ρομπότ λειτουργεί. Οι διατάξεις αυτές μπορούν να συνδεθούν σε μερικές περιπτώσεις με το κύκλωμα στάσης κινδύνου του ρομπότ Οι κίνδυνοι που σχετίζονται με ρομπότ ο βασικότερος κίνδυνος που σχετίζεται με τις εφαρμογές των βιομηχανικών ρομπότ είναι εκείνος που προκαλείται από τις κινήσεις που εκτελεί κατά την λειτουργία του. Η ικανότητα του να κινείται ελεύθερα σε ένα αρκετά μεγάλο χώρο, έχει ως αποτέλεσμα την πρόκληση μη αναμενόμενων και δυσάρεστων συγκρούσεων με αντικείμενα αλλά και με χειριστές ή εργάτες που βρίσκονται δίπλα του [5,6]. Είτε από βλάβη στη λειτουργία του είτε από ανθρώπινο λάθος οι πιθανοί κίνδυνοι που μπορεί να υπάρξουν σε ένα ρομποτικό χώρο είναι 3: 1) Σύγκρουση - Αυτός περιλαμβάνει και τις περιπτώσεις όπου έχει σφηνώσει κάποιος χειριστής ή εργάτης είτε από τμήματα του ρομπότ είτε από αντικείμενα που μεταφέρει. 2) Παγίδες - Σε αυτή τη περίπτωση αυτό που μπορεί να συμβεί είναι να σφηνώσει το ίδιο το ρομπότ σε κάποιο από τα αντικείμενα του χώρου του (εξοπλισμός, πλέγματα ασφαλείας, ταινίες μεταφοράς κλπ). 3) Μ.λοι κίνδυνοι - Αυτοί περιλαμβάνουν τις περιπτώσεις όπου ο κίνδυνος εξαρτάται από την φύση της εφαρμογής του ρομπότ (π.χ. κίνδυνος ηλεκτροπληξίας, κίνδυνος φωτιάς κλπ). Οι παραπάνω κίνδυνοι μπορεί να προκόψουν από αρκετές πηγές και πρέπει να λαμβάνονται υπ όψιν σε ένα κοινό ρομποτικό σύστη^ια που εμπεριέχει: 1. Σφάλματα ελέγχου 2. Μηχανικοί κίνδυνοι 3. Κίνδυνοι περιβάλλοντος 4. Περιφερειακός εξοπλισμός

14 Εκτίμηση κινδύνου (Risk assessment) Η αναγνώριση των πιθανών κινδύνων σε μία διαδικασία που εφαρμόζεται ατιό ένα ρομπότ είναι μία σημαντική διαδικασία. Για το λόγο αυτό σε κάθε εγκατάσταση ρομπότ θα πρέπει να ακολουθεί μελέτη κινδύνων και γενική ανάί.υση επικινδυνότητας στο χώρο του. Αν προκύψει από τη μελέτη πως επίκειται κίνδυνος ατυχήματος εξ αιτίας του μεγέθους ή της δύναμης του ρομπότ τότε απαιτείται να εφαρμοστούν μέτρα προφύλαξης. Οι παράμετροι από τους οτιοίους εξαρτάται ο βαθμός επικινδυνότητας είναι [4]: 1. Η συχνότητα πρόσβασης των χειριστών ή των εργατών στην επυάνδυνη περιοχή. 2. Η σημασία του τραυματισμού που προκαλείται από τον προβλεπόμενο κίνδυνο με ιδιαίτερη έμφαση: a. Στη μέθοδο λειτουργίας του ρομπότ. b. Στην ανάγκη για πρόσβαση στο χώρο. C. Στην προφύλαξη από κάθε είδους συμπλοκής. d. Στα χαρακτηριστικά του ρομπότ. Προφύλαξη κατά τη διάρκεια της λειτουργίας Γενικά είναι εφικτό να γίνει αναγν'ώριση των περιοχών κινδύνου σε ένα ρομποτικό χώρο με βάση των διαχωρισμό τους σε τρία επίπεδα ασφαλείας [5]. Επίπεδο 1 : Η περίμετρος του σταθμού εργασίας Επίπεδο 2 : Η περιοχή ανάμεσα στα όρια του χώρου εργασίας και του ρομποτικού βραχίονα Επίπεδο 3 : Η περιοχή του ρομποτικού βραχίονα

15 Ιύατιιμα (ΐσφιιλιύας ηομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο Διαθέσιμα συστήματα ασφαλείας Με βάση τον διαχωρισμό το ρομποτικού χώρου σε τρία επίπεδα επικινδυνότητας υπάρχουν και αντίστοιχα για κάθε ένα από αυτά και μια προτεινόμενη μέθοδος προφύλαξης του. Στο πρώτο επίπεδο η προφύλαξη είναι εύκολη με την παρουσία προστατευτικών κιγκλιδωμάτων, εισόδων ασφαλείας και πιθανόν και με την παρουσία κάποιων αισθητηρίων. Το δεύτερο επίπεδο έχει μεγαλύτερο βαθμό επικινδυνότητας και εκεί απαιτείται έντονα η ανίχνευση των εισερχόμενων ατόμων. Σε αντίθεση με την προφύλαξη του επιπέδου ένα και των περιφράξεων ασφαλείας στο επίπεδο δύο δίνεται μεγαλύτερη έμφαση στην ανίχνευση παρά στην παρεμπόδιση της εισόδου ενός ατόμου. Στο τελικό και πλέον πιο επικίνδυνο επίπεδο (επίπεδο τρία) απαιτείται η ικανότητα ανίχνευσης της παρουσίας ενός ατόμου ή οποιουδήποτε άλλου κινδύνου για το ρομπότ με απώτερο σκοπό την αποφυγή της άμεσης επαφής του με το αυτό. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση μόνο αισθητηρίων (proximity sensors) και με την χρήση χαλιών ασφαλείας (safety mat) [5]. Ασφάλεια με χρήση φράκτη ασφαλείας Η βασική αρχή της φύλαξης της περιμέτρου του χώρου εργασίας είναι η εγκατάσταση σταθερού φράχτη ή μόνιμων κιγκλιδωμάτων ασφαλείας που εσωκλείουν με προσοχή την περιοχή εργασίας του ρομπότ με πόρτες που κλειδώνουν αυτόματα εσωτερικά κάθε φορά που το ρομπότ βρίσκεται σε λειτουργία. Τα κιγκλιδώματα πρέπει να είναι αρκετά ψηλά (1,5 μέτρο τουλάχιστον) ώστε να εμποδίζουν την εύκολη προσπέλασή τους από του εργάτες. Το πλεονέκτημα από μιας τέτοιου είδους προφύλαξης είναι η ευκολία που υπάρχει στην παρεμπόδιση να εκτοξευτούν τμήματα που φέρει το ρομπότ (βαριά μεταλλικά αντικεί.ιενα) προς κατεύθυνση εκτός του ρομποτικού χώρου κατά την κίνηση του. Ακόμα ο φράκτης της περιμέτρου μπορεί να λειτουργήσει και ως επιφάνεια προφύλαξης από ακτινοβολία, από σπίθες ή από φλόγες που ενδεχόμενα να παράγονται κατά τη λειτουργία ενός ρομπότ ηλεκτροσυγκόλλησης. Οι είσοδοι του φράκτη είναι από το ίδιο υλικό φτιαγμένες και φέρουν τους διακόπτες ασφαλείας που όπως αναφέρθηκε είναι κανονικά κλειστοί μόνο όταν η πόρτα είναι κλειστή. Είναι σημαντικό να αναφερθεί

16 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos πως όλες οι είσοδοι φέρουν διακόπτες οι οποίοι έχοίλί συνδεθεί με τέτοιο τρότιο ώστε το ρομπότ να λειτουργεί μόνο σττ[ν περίπτοιση όπου όλες πόρτες είναι κλειστές [4]. Ασφάλεια με χρήση αισθητηρίων ανίχνευσης Αν η φύση του χώρου δεν επιτρέπει την εγκατάσταση φράκτη ασφαλείας τότε η αμέσως επόμενη εφαρμόσιμη μέθοδος έχει βάση τα αισθητήρια ανίχνευσης παρουσίας ατόμου (proximity sensor). Τέτοια αισθητήρια είναι συσκευές ανίχνευσης με τεχνολογίες όπως φωτοηλεκτρικές δέσμες φωτός, υπερήχων (ultrasonic sensors) και χαλιών με αισθητήρια ανίχνευσης πίεσης. Το πλεονέκτημα που προκύτιτει από αυτές τις συσκευές είναι η καλύτερη πρόσβαση στο ρομπότ. Όταν ένα από τα αισθητήρια ανίχνευσης ενεργοποιηθεί τότε απαιτείται η ύπαρξη και ενός άλλου αισθητηρίου του οποίου η ενεργοποίησή θα υποδηλώσει την απελευθέρωση του χώρου από τον κίνδυνο και κατά συνέπεια την συνέχιση του κύκ/.ου λειτουργίας του ρομπότ [4], Στο επίπεδο επικινδυνότητας 2 τα αισθητήρια μπορούν να παραταχθούν σε οριζόντια διάταξη και με τέτοια σειρά ώστε να υποδιαιρούν το χώρο σε όσα μικρότερα επίπεδα χρειαστεί. Γενικά τα αισθητήρια ανίχνευσης παρουσίας ατόμων θα πρέπει να χρησιμοποιούνται ως ένα δεύτερο είδος προφύ>ειξης και σε καμία περίπτωση να αποτελούν την πρώτη γραμμή άμυνας και αποφυγής ατυχημάτων. Ασφάλεια με χρήση αισθητηρίων επαφής Στο τελευταίο επίπεδο επικινδυνότητας (επίπεδο 3) οι επιλογές για ασφάλεια είναι περιορισμένες. Η μόνη μέθοδος για προστασία που ειραρμόζεται σε αυτό είναι η τοποθέτηση αισθητηρίων επαφής ή αλλιώς ανιχνευτών σύγκρουσης. Οι συσκευές αυτές λειτουργούν με τρόπο παρόμοιο με εκείνον των χαλιών πίεσης. Βασική τους λειτουργία είναι να εντοτήσουν την παραμικρή πίεση που ασκείται επάνω σε σημεία του ίδιου του ρομποτικού βραχίονα. Από αυτό συμπεραίνεται ότι εφαρμόζονται ακριβώς επάνω στο ρομπότ και αποτελούν την έσχατη λύση προστασίας. Αυτές οι τρεις μέθοδοι προφύλαξης υπήρξαν για χρόνια η λύση που εφαρμοζόταν σε βιομηχανικά ρομπότ. Με την ανάπτυξη όμως και της τεχνολογίας στον τομέα της επεξεργασίας εικόνας και γενικά σε αυτό που αποκαλείται όραση

17 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos υπολογιστή (Computer Vision) φαίνεται πως η ασφάλεια στο χώριο τ V ρομπότ θα είναι πιο αξιόπιστη και με λιγότερο αριθμό αισθητηρίων [4]. To Safety EYE Μία από τις καλύτερες προτάσεις σήμερα που έχει αναπτυχθεί για την παροχή ασφάλειας σε ρομποτικό χώρο με χρήση υπολογιστικής όρασης είναι Το Safety EYE. Η πρόταση της εταιρίας αυτοματισμών P1LZ. είναι το πρώτο ολοκληρωμένο σύστημα όρασης που έχει αναπτυχθεί για v( διαφυλάξει την ασφάλεια και τον ομαλό Safety EYE Εικ 1.3. Το λογότυπο του συστήματος safely eye. έλεγχο σε συστήματα που υπάρχει πιθανός κίνδυνος πρόκλησης ατυχημάτων είτε για την ακεραιότητα του εργάτη είτε του ρομποτικού μηχανήριατος. Το Safety EYE χρησιμοποιεί την όραση από μία κάμερα τοποθετημένη σε κατακόρυφη θέση και αρκετά ψηλότερα από το μηχάνημα που καλείται να προστατέψει (Εικ. 1.4). Η θέση του μοιάζει με την πανοραμική όραση που θα είχε ένα πουλί όπως αναφέρουν οι κατασκευαστές του. Η λειτουργία του είναι να χωρίσει τον χώρο που βλέπει σε τρεις νοητές ζώνες τριών διαστάσεων. Αυτό είναι και το σημείο που το κάνει και το πρώτο σύστημα που εφαρμόζει ουσιαστικό τρισδιάστατο έλεγχο [7]. Η ζώνη η οποία πρέπει να τιαρακολουθείται διαρκώς καθορίζεται στην εικόνα από το μπλε χρώμα. Στη ζώνη αυτή βρίσκεται και ο εξοπλισμός ο οποίος χρηάζεται την μέγιστη προστασία. Η επόμενη ζώνη με το κόκκινο χρώμα είναι η περιοχή 1.4 Παρουσίαση του χώρου που ελέγχεται [Ο safeteyeib) και ο χωρισμό του σε ζώνες. προειδοποίησης και η ζώνη με το κίτρινο χρώμα είναι η περιοχή ανίχνευσης. Κάθε αντικείμενο που πλησιάζει σ αυτές και ξεπερνά το προκαθορισμένο ελάχιστο μέγεθος αναγνωρίζεται και αναφέρεται στο σύστημα αμέσως [7].

18 Σύστημα ασφα/^;ί(χς ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφά/xtio 1 Ανίχνευση και εξάλειψη του κινδύνου Αν το αντικείμενο είναι στη περιοχή με το κίτρινο χρώμα ή αλλιώς περιοχή προειδοποίησης (warning zone) τότε οι διαδικασίες του μηχανήματος μειο'τνουν την ταχύτητα εκτέλεσης αλλά παρόλα αυτά συνεχίζουν χωρίς να διακοπούν. Μόνο όταν ανιχνευτεί αντικείμενο στην πιο κοντινή περιοχή (κόκκινη περιοχή) το Safety EYE θα στείλει εντολή διακοπής της λειτουργίας του μηχανήματος και ενεργοποίησης κάποιου συναγερμού. Η εικόνα 1.5 παρουσιάζει σχηματικά την διασύνδεση των στοιχείων του συστήματος. Συγκεκριμένα στα αριστερά (ραίνεται η μονάδα εντοπισμού (Sensing unit) συνδεδεμένη με οπτική ίνα με την μονάδα ελέγχου (Control Unit). Η μονάδα ελέγχου συνδέεται με τον υπολογιστή - σταθμό μέσω δικτύου Ethernet [7]. 0 ΐε > : t a (gmynhp Εικ. 1.5 Διάγραμμα σύνδεσης των στοιχείων ι ϋ συστήματος. Η συσκευή εντοπισμού - αισθητήριο Το σύστημα όρασης αποτελείται από τρεις διαιρορετικές κάμερες. Αυτό παρακολουθεί διαρκώς τι συμβαίνει και μεταδίδει εικόνες σε κλίμακα grayscale (θα περιγραφεί στο κειράλαιο 2 αναλυτικά τι ονομάζεται grayscale εικόνα). Σε συστήματα που χρησιμοποιούν πολλές κάμερες ταυτόχρονα απαιτείται να προηγηθεί η

19 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο 1 βαθμονόμησή τους. Στο Safety eye δεν χρειάζεται να εφαρμόσει βαθμονόμηση στις κάμερες μιας και λειτουργούν αυτόνομα. Η χρήστες το μόνο που χρειάζεται να κάνουν είναι να τοποθετήσουν το αισθητήριο ακριβώς επάνω από τον χώρο που πρόκειται να προστατέψουν [7]. Η μονάδα ελέγχου Αποτελείται από την μονάδα ανάλυσης και από ένα ολοκληρωμένο σύστημα ασφαλείας με δυνατότητα προγραμματισμού του. Η μονάδα ανάλυσης δέχεται και επεξεργάζεται τις εικόνες που λαμβάνει από τις κάμερες. Στη συνέχεια δημιουργεί τα απαραίτητα σήματα είτε διακοπής είτε συνέχισης της λειτουργίας του μηχανήματος [7] 1.5 Η λύση που προτείνεται Η προσέγγιση στο πρόβλημα της ασφάλειας που προτείνεται έχει πολλές ομοιότητες με το σύστημα Safety eye. Πιο συγκεκριμένα και στο σύστημα που αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε μία κάμερα συνδεδεμένη με έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή η οποία «βλέπει» από κατακόρυφη θέση το ρομποτικό βραχίονα. Από εκείνη τη θέση έχει τη δυνατότητα ο υπολογιστής να λαμβάνει διαρκώς την κάτοψη του ρομποπκού χώρου. Η επεξεργασία των εικόνων που αποθηκεύονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή γίνεται με την βοήθεια του προτεινόμενου σε αυτήν την εργασία αλγορίθμου. Ο αλγόριθμος αυτός εξετάζει αν έχει εισέλθει αντικείμενο στο χώρο του ρομποτικού βραχίονα, σε τι απόσταση βρίσκεται από αυτόν και καθορίζει γενικά τη συμπεριφορά του ρομποτικού βραχίονα. Το σύστημα ονομάζεται Talos και όπως το Safety eye αποτελείται από το αισθητήριο (κάμερα) από την μονάδα ελέγχου του ρομποτικού βραχίονα και από τον υπολογιστή του σταθμού εργασίας. Ο ρομποτικός βραχίονας που κλήθηκε να προστατέψει τα Talos είναι το scorbot er ν plus που ενδείκνυται για εργαστηριακές και εκπαιδευτικές εφαρμογές.

20 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos

21 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos 2 Το σύστημα ασφάλειας Talos 2.1 Περίληψη κεφαλαίου Στο 2 κεφάλαιο περιγράφεται η λύση που προτείνεται στη παρούσα εργασία στο πρόβλημα της ασιράλειας σε ένα ρομποτικό σύστημα. Ακόμα θα αναλυθούν τα μέσα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη του συστήματος Talos. Επίσης εξηγούνται βασικές λειτουργίες τους. Πιο συγκεκριμένα υπάρχουν αναφορές στο περιβάλλον που αναπτύχθηκε η εφαρμογή, στη γλώσσα προγραμματισμού στην οποία βασίστηκε και η βιβλιοθήκη που επιλέχθηκε για την εφαρμογή συναρτήσεων επεξεργασίας εικόνων. Τέλος γίνεται απαραίτητη αναφορά σε μεθόδους για επεξεργασία εικόνας και εξηγούνται με παραδείγματα. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζεται ο αλγόριθμος που χρησιμοποιεί η εφαρμογή Talos για να εντοπίσει κινδύνους σε ένα ρομποτικό χώρο με αποσπάσματα κώδικα αλλά και με παρουσίαση του λογικού διαγράμματος ροής.

22 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο Θεωρητική ανάλυση Το πρόβλημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί είναι η παροχή ασφάλειας σε ένα ρομποτικό σύστημα. Πιο συγκεκριμέν'α σε ρομποτικούς βραχίονες μεγάλος είναι ο κίνδυνος βλάβης του ίδιου του συστήματος είτε ατυχήματος κάποιου ατόμου που βρίσκεται κοντά. Η μία περίπτωση παρουσιάζεται σε ένα εργοστασιακό περιβάλλον με μεγάλα ρομποτικά συστήματα. Εκεί συναρμολογούν βαριές κατασκευές όπως αυτοκίνητα και οι δυνάμεις που ασκούνται είναι πολύ μεγάλες και πολύ επικίνδυνες αν ασκηθούν σε κάποιον άτυχο εργάτη που θα τυχαίνει να βρίσκεται από αμέλεια κοντά σε κάποιο από αυτά τα μηχανήματα. Η άλλη περίπτωση είναι όταν πιο απαραίτητο είναι να διασφαλιστεί η προστασία και η ακεραιότητα του ίδιου του μηχανήματος από τυχόν εξωτερικές παρεμβάσεις. Είτε στη μία περίπτωση είτε στην άλλη η ανάγκη για ασφάλεια του χώρου είναι μεγάλη. Ο τρόπος προσέγγισης που επιλέχθηκε στην παρούσα εργασία, όπως έχει περιληπτικά αναφερθεί στο πρώτο κεφάλαιο στη παράγραφο 4 είναι η παρακολούθηση του χώρου εργασίας με μία ψηφιακή κάμερα. Στη συνέχεια μέσω αλγορίθμων επεξεργασίας της λαμβανόμενης εικόνας παίρνονται ανάλογες αποφάσεις για την παύση της λειτουργίας του μηχανήματος ή την συνέχισή της. Η εφαρμογή που αναπτύχθηκε αποτελείται από δύο επιμέρους τμήματα. Το πρώτο αφορά στην δυνατότητα σύνδεσης της εφαρμογής με τον ελεγκτή του ρομποτικού βραχίονα. Και το δεύτερο αφορά στην λήψη της εικόνας από μία απλή κάμερα τύπου USB και στη μετέπειτα επεξεργασία της προκειμένου να ανιχνευτεί αντικείμενο στο χώρο εργασίας του ρομπότ που θα μπορούσε να προκαλέσει ατύχημα.

23 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Η σύνδεση με το ρομπότ Η σύνδεση του ρομποτικού ελεγκτή είναι και εκείνο το κομμάτι που εξασφαλίζει πως η εφαρμογή μπορεί στη κυριολεξία να ελέγχει τις κινήσεις του ρομπότ. Η επικοινωνία μεταξύ ελεγκτή και σταθμού εργασίας (υπολογιστής) γίνεται διαμέσου μιας σειριακής σύνδεσης που υπακούα στο πρωτόκολλο επικοινωνίας τύπου RS [13] Το RS-232 Recommended Standard 232) είναι ένα πρότυπο για σειριακή μετάδοση δυαδικών σημάτων δεδομένων μεταξύ ενός DTE (Data terminal equipment) και ενός DCE (Data Circuitterminating equipment). Χρησιμοποιείται συχνά στις σειρωκές θύρες των Εικ. 2.1 Θηλυκό βύσμα προσωπικών υπολογιστών. Στη προκειμένη περίπτωση το DTE είναι ο ηλεκτρονικός υπολογιστής - σταθμός και το DCE είναι ο ελεγκτής του ρομποτικού βραχίονα. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται σχηματικά η σύνδεση του υπολογιστή - σταθμού εργασίας με τον ελεγκτή του ρομποτικού βραχίονα. Ακόμα πρέπει να αναφερθεί πως και ο βραχίονας με τη σειρά του είναι συνδεδεμένος με τον ελεγκτή κάτω από το ίδιο πρωτόκολλο επικοινωνίας RS - 232[13]. Εικ. 2.2 Σχεδιάγραμμα σύνδεσης σταθμού εργασίας - ρομπότ

24 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο 2 Ο υπολογιστής - σταθμός εργασίας είναι μόνιμα συνδεδεμένος σε φυσικό επίπεδο με τον ελεγκτή του ρομπότ και ο έλεγχος του βραχίονα γίνεται μέσω του λογισμικού Scorbase και του υποπρογράμματος ATS που είναι εγκατεστημένο στον υπολογιστή και που συνοδεύεται από το ρομποτικό βραχίονα. Το λογισμικό Scorbase είναι μία εφαρμογή που εκτελείται σε περιβάλλον DOS και δίνει στο χειριστή δυνατότητες χειρισμού του ρομποτικού βραχίονα[15].»al Softuare for Cc ion 2.0 (C) ESHED ROBOTEC EiK. 2.3 To περιβάλλον του ATS (Terminal) Μέσω του υποπρογράμματος ATS (Advanced Terminal Software) o χρήστης μπορεί να εκτελέσει εντολές κίνησης του βραχίονα ή να «κατεβάσει» στη μνήμη του ελεγκτή ένα επιθυμητό πρόγραμμα γραμμιένο στην γλώσσα ACL (Advanced Control Language). Η συγκεκριμένη γλώσσα είναι η μόνη της οποίας τις εντολές ο ελεγκτής αναγνωρίζει και εκτελεί. Εντολές όπως MOVE, MOVEL και MOVEC είναι καθαρά υπεύθυνες για την κίνηση του βραχίονα[ 15]. Η συγκεκριμένη σειριακή σύνδεση είναι και εκείνη που θα αξιοποιηθεί από την εφαρμογή Talos ώστε να πραγματοποιηθεί η απαραίτητη επικοινωνία με το ρομποτικό ελεγκτή και συνεπώς με τον ρομποτικό βραχίονα. Για να γίνει όμως αυτό εφικτό πρέπει μέσα από την εφαρμογή που δημιουργήθηκε να χρησιμοποιήθηκε κώδικας με εντολές διαχείρισης της σειριακής επικοινωνίας. Χρειάζεται συγκεκριμένα να εκτελούνται απαραίτητα διαδικασίες αποστολής (Send data) και λήψης δεδομένων (receive data). Ακόμα στην εφαρμογή Talos είναι δυνατό να ρυθμίζονται από το χρήστη τα χαρακτηριστικά επικοινωνίας (baud rate, data bits.

25 Σύστημα ασφαλείας ρομποπκού βραχίονα - Talos Κεφά^χαο 2 είδος χσοημίας κλπ) που θα είναι συμβατά με το πρωτόκολλο ετηκοινωνίας του συγκεκριμένου ελεγκτή. Κλείνοντας αυτή την ενότητα ας αναφερθεί πως είναι απαραίτητη προδιαγραφή για την εφαρμογή Tabs να συμπεριληφθεί τμήμα κώδικα που θα καλύπτει τις λειτουργίες ετηκοινωνίας με τον ρομποτικό ελεγκτή με τον ίδιο τρόπο που το κάνει το Terminal ATS του προγράμματος Scorbase. Με αφορμή έτσι την ανάπτυξη του προγράμματος T abs αναπτύχθηκε παράλληλα και ένα καλύτερο Terminal πιο σύγχρονο και φιλικό προς το χρήστη που διευκολύνει με την απλότητα του τον όποιον δυσκολεύεται να χειριστεί ένα πρόγραμμα σε περιβάλλον DOS όπως είναι το ATS Όραση μέσω Η/Υ (Computer Vision) To δεύτερο σημαντικό κομμάτι της εςχιρμογής είναι η λήψη και επεξεργασία εικόνων από μία κάμερα. Η κάμερα θα είναι τοποθετημένη έτσι που θα «βλέπευ> διαρκώς το χώρο εργασίας του ρομπότ από κατακόρυφη θέση, με το ρομπότ να βρίσκεται στο κέντρο του πλάνου της. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε στη συνέχεια εφαρμόζει έναν αλγόριθμο ανίχνευσης αντικειμένων. Ο αλγόριθμος αυτός έχει ως βασικότερη λειτουργία να χωρίζει το πλάνο της κάμερας σε διαq>opετucές ζώνες ενδιαφέροντος και ετηκινδυνότητας. Οι ζώνες ετηκινδυνότητας δεν είναι προκαθορισμένες κατά τη ανάπτυξη του προγράμματος Talos. Αντιθέτως θα δίνεται δυνατότητα στο χρήστη να επιλέγει αυτός τον αριθμό των ζωνών επικινδυνότητας ανάλογα με πς ανάγκες του [ 16] [ 17]. Οι ζώνες αυτές είναι παραλληλόγραμμα σχήματα μεγέθους ανάλογου εκείνου του μεγέθους του πλάνου της εικόνας. Θα δημιουργούντα κατά την εκκίνηση του αλγορίθμου ελέγχου και θα είναι απλώς ποσοστιαία ανάλογες του μεγέθους και των διαστάσεων του γενικού πλάνου της εισερχόμενης εικόνας. Αυτό σημαίνει πως η ανάλυση της κάμερας επηρεάζει και το μέγεθος των ζωνών. Ξεκινώντας από την ζώνη που βρίσκεται πιο κοντά στο κέντρο και συνεχίζοντας προς τα έξω ο αλγόριθμος ψάχνει με μία διαδικασία αιραίρεσης διαδοχικών καρέ α\' έχει εισέλθει κάποιο αντικείμιενο σε αυτήν ή όχι. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται με τον ίδιο τρόπο για κάθε ζώνη ξεκινώντας από την μικρότερη προς τη μεγαλύτερη. Δηλαδή από το κέντρο προς τα άκρα. Ανάλογα με τη ζώνη που βρέθηκε κάποιο αντικείμενο ξέρουμε και τη θέση του και την απόσταση του από το κέντρο της εικόνας μιας και εφόσον οι διαστάσεις τους είναι δεδομένες.

26 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο 2 Εφόσον είναι γνωστή η απόστασή ενός αντικειμένου από το κέντρο της εικόνας ξέρουμε και την απόστασή του από το κέντρο του χώρου εργασίας του ρομπότ όπως αυτό φαίνεται επάνω στην εικόνα. Ακόμα σε κάθε ζώνη έχει αντιστοιχηθεί και μία τιμή ταχύτητας με την οποία είναι επιτρεπτό να εκτελεί τις λειτουργίες του ρομπότ. Αυτό σημαίνει ότι το πρόγραμμα που τρέχει εκείνη τη στιγμή αν έχει βρεθεί κάποιο αντικείμενο στο χώρο, θα μεταβάλλει την ταχύτητά εκτέλεσης του βραχίονα αναλόγως της θέσης που βρέθηκε το αντικείμενο. Αν για παράδειγμα ένα αντικείμενο βρέθηκε στην πιο απομακρυσμένη ζώνη (την λιγότερο επικίνδυνη) τότε η τιμή της ταχύτητας κίνησης του ρομπότ θα μειωθεί κατά ένα ποσοστό ανάλογο του κινδύνου. Αν το αντικείμενο ανιχνευτεί σε ζώνη πιο μεγάλου κινδύνου (έστω στην επόμενη) τότε το ποσοστό μείωσης της τιμής της ταχύτητας θα είναι αισθητά πιο μεγάλο μιας και το αντικείμενο είναι πιο κοντά στο ρομποτικό βραχίονα. Αν το αντικείμενο εισέλθει στη ζώνη που βρίσκεται πιο κοντά στο κέντρο σε σχέση με κάθε άλλη ζώνη (δηλαδή ζώνη υψηλότερου κινδύνου) τότε εκείνη τη στιγμή ο αλγόριθμος στέλνει εντολή στον ελεγκτή να παγώσει την κίνηση του ρομποτικού βραχίονα (εντολή suspend). Μόλις ο αλγόριθμος ανιχνεύσει ότι το αντικείμενο έχει απομακρυνθεί από την περιοχή αυτή τότε το αμέσως επόμενο μήνυμα που αποστέλλεται στον ελεγκτή είναι η εντολή που επιτρέπει την συνέχιση του προγράμματος που είχε σταματήσει (εντολή continue). Αυτή είναι η γενική λειτουργία του αλγορίθμου λήψης απόφασης για την ύπαρξη κινδύνου και τον εντοπισμό της θέση του αντικειμένου. Ο τρόπος όμως με τον οποίον φτάνει στο σημείο να το αντιληφθεί αυτό είναι λίγο πιο πολύπλοκος. Ας υποθέσουμε πως έχουμε μία ροή εικόνων από την κάμερα οι οποίες αποθηκεύονται προσωρινά στην μνήμη σαν μια ακολουθία ή καλύτερα σαν μια μικρού μεγέθους λίστα. Αν εφαρμόσουμε την πράξη της αφαίρεσης σε δύο διαδοχικές εικόνες (δύο γειτονικά στοιχεία της λίστας) τότε το αποτέλεσμα θα είναι μία εικόνα που θα απεικονίζει μόνο την αλλαγή που υπήρξε ανάμεσα τους. Αυτή η μεταβολή δεν είναι άλλη από την εισαγωγή κάποιου αντικειμένου στο χώρο μιας και σε αντίθετη περίπτωση τα δύο αυτά συνεχόμενα καρέ θα ήταν πανομοιότυπα και το αποτέλεσμα της αφαίρεσής τους θα έβγαζε μηδενική εικόνα. Με πολύ απλά λόγια λοιπόν αυτή είναι και η βασική λειτουργία της ανίχνευσης αντικειμένων. Σίγουρα είναι πιο πολύπλοκη διαδικασία η οποία θα αναλυθεί περισσότερο παρακάτω. Για να γίνει κατανοητή η σειρά των ενεργειών που αναφέρθηκαν προηγουμένως είναι απαραίτητο να γίνει αναφορά σε βασικές λειτουργίες της επεξεργασίας εικόνας.

27 Σύστημα ασφαλ ίας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφά/χαο 2 Κατανοώντας τα δομικά στοιχεία της επεξεργασίας εικόνας θα μπορέσει να γίνει πιο εύκολα αντιληπτό το πώς φτάνει ο αλγόριθμος του Talos να αντιλαμβάνεται την εισαγωγή αντικειμένων στο χώρο. Πριν γίνει η περιγραφή των δυνατοτήτοιν της επεξεργασίας εικόνας προηγείται μία αναφορά στο τι θεωρείται σήμερα «επεξεργασία εικόνας». Επεξεργασία εικόνας (Image Processing). Είναι η κάθε είδους επεξεργασία σήματος στην οποία είσοδος είναι μία εικόνα όπως μία φωτογραφία ή ένα καρέ από ένα βίντεο και η έξοδος μπορεί να είναι είτε μία εικόνα είτε ένα σύνολο χαρακτηριστικών και παραμέτρων που σχετίζονται με εικόνα. Οι περισσότερες τεχνικές επεξεργασίας περΰαιμβάνουν τον χειρισμό της εικόνας σαν να είναι ένα σήμα δύο διαστάσεων και στη συνέχεια απλά εχραρμόζουν απλές τεχνικές επεξεργασίας σήματος πάνω σε αυτό το ζεύγος σημάτων. Η επεξεργασία εικόνας συνήθως αναφέρεται στην ψηφιακή επεξεργασία εικόνας α/νλά και η αναλογική επεξεργασία είναι επίσης εφικτή από αυτή. Παρακάτω γίνεται αναφορά στις γενικές τεχνικές οι οποίες έχουν εφαρμογή και στα δύο είδη (ψηφιακή και αναλογική επεξεργασία) [18]. Οι βασικότερες λειτουργίες που μπορεί να εφαρμοστούν κατά την επεξεργασία εικόνας σήμερα είναι; [11] Γεωμετρικές τροποποιήσεις - μεταμορφώσεις της εικόνας. Μεγέθυνση εικόνας, σμίκρυνση, περιστροφή κατά καθορισμένη γωνία και άλλα. Χρωματικές μεταβολές. Συγκεκριμένα τροποποιήσεις στην φωτεινότητα την αντίθεση ή και την ένταση των χρωμάτων στην εικόνα. Ακόμα σε αυτή τη κατηγορία ανήκει και η μετατροπή ενός η περισσοτέρων καναλιών χρωμάτων σε ένα άλλο. Πχ η απλούστερη και συνηθέστερη λειτουργία είναι η μετατροπή έγχρωμή εικόνα σε ασπρόμαυρη. Αλγεβρικές πράξεις μεταξύ εικόνων. Σε αυτή την κατηγορία εντάσσονται όλες εκείνες οι διαδικασίες μέσω των οποίων επιτρέπονται λειτουργίες πρόσθεσης, αφαίρεσης και πολλαπλασιασμού εικόνων. Τεχνικές τμηματοποίησης Εικόνας. Σήμερα υπάρχουν αρκετά πολύπλοκες τεχνικές επεξεργασίας. Τέτοιοι είναι: αλγόριθμοι

28 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο 2 φιλτραρίσματος, εύρεσης γωνιών (Comer Detection), Ειραρμογή κατωφλίωσης (Image Thresholding) κλπ. Image Differencing. Είναι μία τεχνική επεξεργασίας που χρησιμοποιείται στο καθορισμό μεταβολών μεταξύ εικόνων. Η διαφορά μεταξύ δύο εικόνων υπολογίζεται με την εύρεση της διαφοράς μεταξύ κάθε εικονοστοιχείου των εικόνων (Pixel) ξεχωριστά. Το αποτέλεσμα δημιουργεί μία νέα εικόνα με αποτυπωμένη τη διαφορά. Σήμερα η έρευνα στην επεξεργασία εικόνας έχει επιτρέψει την ανάπτυξη εκατοντάδων διαφορετικών μεθόδων και τεχνικών με ένα πλήθος εφαρμογών. Αυτές που αναφέρθηκαν αποτελούν απλά τις πιο βασικές. Ακόμα σκόπιμα αναφέρονται αυτές για τον λόγο ότι χρησιμοποιήθηκαν στον αλγόριθμο επεξεργασίας εικόνας του Talos. Παρακάτω ακολουθεί εκτενέστερη αναφορά στις λειτουργίες εκείνες που ήταν καθοριστικές στην αποτελεσματική ολοκλήρωση του αλγορίθμου του Talos. Περιοχή ενδιαφέροντος - (Region of interest) Εφόσον η εικόνα που λαμβάνεται από την κάμερα θα πρέπει κατά κάποιο τρόπο να χωριστεί σε ζώνες διαφορετικού κινδύνου αυτό συνεπάγεται πως θα πρέπει να χωριστεί η ακόνα σε περιοχές στις οποίες θα εφαρμόζεται έλεγχος με διαφορετική προτεραιότητα. Στη κατηγορία λοιπόν τον γεωμετρικών Εικ. 2.4 παράσταση αντικειμένων μετασχηματισμών βρίσκεται και εκείνη η λειτουργία που καθορίζει τη περιοχή ενδιαφέροντος στην προς επεξεργασία εικόνα. Ας τεθεί για παράδειγμα η εικόνα 2.4 Εικ. 2.5 Περιοχή ενδιαφέροντος στην εικόνα με κόκκινο χρώμα Έστω λοιπόν ότι είναι μία εικόνα στην οποία πρέπει να καθοριστεί μία συγκεκριμένη περιοχή προς επεξεργασία. Τότε θα γίνει επιλογή περιοχής ενδιαφέροντος. Στην νέα εικόνα φαίνεται με κόκκινο περίγραμμα η περιοχή που επιθυμεί ο χρήστης να εφαρμόσει οποιαδήποτε επεξεργασία αφήνοντας ανέπαφή την υπόλοιπη εικόνα[11].

29 Σύστημα ασφαλείας ρομτιοτχκού βραχίονα - Talos Κεφά>αιο 2 Μετά τον ορισμό της τιεριοχής η επεξεργασία θα αφορά στο τμήμα που περικλείεται από το κόκκινο τετράγιονο. Με λίγα >Λγια η εικόνα που β/έπει η επεξεργασία μετά τη λειτουργία αυτή είναι η παρακάτοι (Εικ. 2.6). Και αν συνεχίσα ο χρήστης με εφαρμογή ανίχνευσης των περιγραμμάτων (Find Contours) στο κομμάτι αυτό της ηκόνας θα καταλήξει όπως δείχνη η εικόνα 2.7. Εικ. 2.6 Η περιοχή ενδιαφέροντος έχει απομονωθεί Τέλος αν αλλάξει η περιοχή ενδιαφέροντος έτσι ώστε να αφορά σε ο/.όκληρη την εικόνα που λαμβάνεται αρχικά τότε το αποτέλεσμα θα δείχνει ακριβώς όπως στην εικόνα 2.8. Στον αλγόριθμο επεξεργασίας εικόνας του Talos και συγκεκριμένα στην συνάρτηση με όνομα callback η διαδικασία ορισμού περιοχής ενδιαφέροντος ήταν μία από της πιο σημαντικές διαδικασίες. Ας αναφερθεί πως σε κάποιες περιπτώσει η περιοχή Εικ. 2.8 Η εικόνα με περιοχή ενδιαφέροντος που αφορά εΐ'διαφέροντος ονομάζεται και σε ολόκληρη την αρχική εικόνα. Διακρίνεται το αποτέλεσμα της διαδικασίας εύρεσης περιγραμμάτων. τετράγωνο ενδιαφέροντος. Η συνάρτηση που υλοποιεί αυτό τον καθορισμό στην ακόνα παίρνει συχνά σαν παράμετρο τη μεταβλητή τύπου τετράγωνο (Rectangle). Η μεταβλητή είναι συνήθως μία δομή που περιλαμβάνε τα 4 πιο απαραίτητα χαρακτηριστικά. Τα δύο πρώτα είναι τα σημεία της πάνω αριστερά και της κάτω δεξιάς γωνίας του τετραγώνου που μας ενδιαφέρει και τα δύο επόμενα χαρακτηριστικά είναι το μήκος και το ύψος του τετραγώνου. Με αυτά σα δεδo^ιέvα η συνάρτηση μπορεί να καθορίσει το ποια ακριβώς θα είναι η ετηθυμητή περιοχή προς επεξεργασία που στη προκειμένη περίπτωση θυμίζει σχηματικά τετράγωνο. 24

30 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο 2 Μετατροπές χρωμάτων - Color conversions. Η δεύτερη πολύ σημανπκή λειτουργία στην επεξεργασία εικόνας που χρησιμοποιήθηκε πολλές φορές στον αλγόριθμο του Talos είναι η ικανότητα μετατροπής μιας έγχρωμης εικόνας σε αποχρώσεις του γκρι (grayscale) ή ασπρόμαυρη (binary). Grayscale λέγεται η ψηφιακή εικόνα στην οποία η τιμή του κάθε εικονοστοιχείου (Pixel) περιέχει αποκλειστικά την τιμή της έντασης του σε αποχρώσεις του γκρι άσπρο - μαύρο. Οι Grayscale εικόνες διαφέρουν από τις ασπρόμαυρες εικόνες, οι οποία στην ευρύτερη κατηγορίας της απεικόνισης μέσω υπολογιστών, αποτελούν εικόνες με μόνο δύο χρώματα, μαύρο και άσπρο. Αντιθέτως, οι Grayscale έχουν πολλές βαθμίδες από γκρι μεταξύ των ηκονοστοιχείων. Ωστόσο, αυτή η κατηγορία στην περίπτωση φωτογραφιών καλείται ασπρόμαυρη φωτογραφία. [18] Εικ Η grayscale Βικ 2.11 Η binary εικόνα εικόνα που προκτίπτει από που προκύπτει από την την Εικ. 2.9 Εικ.2.9 Μετατρέποντας έγχρωμες εικόνες σε Grayscale. IL Εικ Απομόνιοση των τριών καναλκόν μιας έγχρωμης εικόνας η μετατροπή τους σε εικόνες Grayscale. Για να μετατραπεί κάθε χρώμα σε επίπεδό του γκρι πρέπει πρώτα να παρθούν από την εικόνα τα επίπεδα της σε κόκκινο, πράσινο και μπλε χρώμα (RGB). Έπειτα προστίθεται 30% επιπλέον σε ένταση στο κόκκινο χρώμα, 59% στο πράσινο και 11% στο μπλε ταυτόχρονα. Αυτά τα ποσοστά έχουν επιλεγεί με βάσει τη διαφορετική σχετική ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού σε κάθε ένα από τα βασικά αυτά χρώματα (Μεγαλύτερη ευαισθησία στο πράσινο και λιγότερη στο μπλε). Αυτή η διαδικασία θα γίνει πιο κατανοητή στο σχήμα παρακάτω όπου μία έγχρωμη εικόνα

31 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Tpui)v καναλιών έχει χωριστεί στα τρία κανάλια και έπειτα εφαρμόζεται σε κάθε ένα από αυτά η μετατροπή σε Grayscale με τον τρόπο που αναφέρθηκε πιο πάνοι. Κατωφλίωση (Thresholding) Κατωφλίωση (Thresholding) είναι η απλούστερη μέθοδος της τμηματοποίησης της εικόνας. Κάθε εικονοστοιχείο σε μία εικόνα grayscale χαρακτηρίζεται είτε ως εικονοστοιχείο αντικειμένου (object pixels) αν η τιμή του είναι μεγαλύτερη από μία τιμή κατωφλίου (υποθετικά έστω ένα αντικείμενο πιο φωτεινό από το φόντο του) είτε σαν εικονοστοιχείο φόντου (background pixels). Σε κάθε ακονοστοιχείο αντικειμένου (object pixel) συνήθως δίνεται η τιμή 1 ενώ στα εικονοστοιχεία του φόντου δίνεται η τιμή 0. Η κατωφλίωση ονομάζεται και προσαρμοσμένη κατωφλίωση όταν η τιμή κατωφλίου μεταβάλλεται από περιοχή σε περιοχή της εικόνας. Η παράμετρος κλειδί στη κατωφλίωση είναι προφανώς η επιλογή της σωστής τιμής κατωφλίου. Υπάρχουν αρκετές και διαφορετικές μέθοδοι επιλογής της τιμής αυτή. Η απλούστερη μέθοδος θα ήταν να επιλεγεί η μέση τιμή του εύρους τιμών. Με το σκεπτικό ό η αν τα εικονοστοιχεία του αντικειμένου είναι φωτεινότερα από τα εικονοστοιχεία του φόντου, θα έπρεπε να είναι και ςκοτεινότερα από τη μέση τιμή. Σε μια εικόνα χωρίς θόρυβο με μεγάλες διαφορές τιμών στα εικονοστοιχεία του φόντου και του αντικειμένου, η μέση τιμή του εύρους σαν τιμή κατωφλίου θα δουλέψει με πολύ μεγάλη απόδοση, παρ όλα αυτά γεί'ΐκά μιλώντας αυτό συμβαίνει σπάνια και δύσκολα. Μια ττιο περίπλοκη προσέγγιση είναι να δημιουργηθεί ένα ιστόγραμμα των τιμών εντάσεων από τα εικονοστοιχεία της εικόνας και να χρησιμοποιηθεί το χαμηλότερο σημείο της καμπύλης σαν κατώφλι. Αυτή η προσέγγιση παίρ\'ει σαν δεδομένη υπόθεση ότι υπάρχει μία μέση τιμή για τα εικονοστοιχεία του φόντου και μία για τα εικονοστοιχεία του αντικειμένου αλλά οι πραγματικές τιμές των εικονοστοιχείων μεταβολές γύρω από τις μέσες αυτές τιμές. Όμως υπολογιστικά αυτό δεν είναι και το πιο εύκολο να γίνει και πρέπει να σημειωθεί ότι πολλές εικόνες έχουν ιστογράμματα των οποίων τα χαμηλότερα σημεία (valley points) δεν είναι και τόσο ευδιάκριτα. Ιδανικά αναζητιέται μία μέθοδος εττιλογής κατωφλίου η οποία θα ναι απλή, δε θα απαιτεί σε τόσο μεγάλο βαθμό προηγμέιτ) γνώση της εικόνας (ιστόγραμμα) και που θα δουλεύει τ ^ ι α και σε εικόνες με πολύ θόρυβο [19].

32 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Talos Κεφάλαιο 2 Μια καλή τέτοια μέθοδος είναι η λεγάμενη επαναληπτική μέθοδος και λειτουργεί ως εξής: 1. Έχει επιλεγεί μία αρχική κατωφλίωση (Τ), αυτή μπορεί να επιλεχθεί τυχαία ή σύμφωνα με κάποια επιθυμητή μέθοδο. 2. Η εικόνα έχει τμηματοποιηθεί στα εικονοστοιχεία του αντικειμένου (object pixels) και σε εκείνα του φόντου (background pixels) όπως περιγράφηκαν πιο πάνω, δημιουργώντας δύο σετ: 1. G) = f(m,n):f(m,n) > Τ} (object pixels) 2. G2 = f(m,n):f(m,n) < = Τ} (background pixels) (Σημείωση,Το f(m,n) είναι η τιμή του εικονοστοιχείου που βρίσκεται στην η/' στήλη και σειρά) 3. Υπολογίζεται ο μέσος όρος του κάθε σετ. 1. ιπ\= Μέση τιμή του G] 2. ηΐ2 = Μέση τιμή του G2 4. Δημιουργείται μία νέα κατωφλίωση Τ η οποία είναι η μέση των m\ και m2 1. Τ =(/«ι +/«2)/2 5. Επιστροφή στο δεύτερο βήμα χρησιμοποιώντας την νέα υπολογισμένη κατωφλίωση από το βήμα 4, γίνεται επανάληψη αυτής της διαδικασίας μέχρι η νέα κατωφλίωση που θα προκύπτει να είναι ίδια με την προηγούμενη. Ακόμα πρέπει να σημειωθεί πως η διαδικασία της κατωφλίωσης εφαρμόζεται αυστηρά μόνο σε εικόνες τύπου Grayscale [18]. E11C.2.13 Ένα έγγραφο που έχει διασωθεί με προσαρμοζόμενο κατώφλι. (Adaplive Thresholding)

33 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - Tales Κεφάλαιο 2 Γενικά η κατωφλίωση Αποδίδει ικανοποιητικά σε εικόνες που περιέχουν ένα ή περισσότερα αντικείμενα σε κάποιο φόντο (background). Βασίζεται στο γεγονός ότι οι τιμές των pixels που ανήκουν στα ανηκείμενα διαφέρουν σημαντικά από τις τιμές των pixels που ανήκουν στο (ρόντο. Επιλέγοντας συνεπώς ένα εύρος για τις τιμές που ανήκουν σε κάποιο αντικείμενο, είμαστε σε θέση να το διαχωρίσουμε από το φόντο. Η πληροφορία για τις τιμές που πρέπει να επιλεχθούν μπορεί να δοθεί από το ιστόγραμμα της ΏΚ(ί»νας ή knowledge based. Η ύπαρξη ενός ή περισσοτέρων αντικειμένων αντιστοιχεί στην ύπαρξη κορυφών στο ιστ(3γραμμα. Παράδειγμα κατωφλίωσης: Εικ Διάγραμμα εικόνας grayscale. Στο διάγραμμα της εικόνας 2.14 παρουσιάζονται οι τιμές των εικονοστοιχείων σε μία εικόνα τύπου Grayscale που ακολουθεί. Το κείμενο (Text) είναι το αντικείμενο και φαίνεται ξεκάθαρα η διαφορά των τιμών τους από τα εικονοστοιχεία το (ρόντου [18].

34 Σύστημα ασφαλείας ρομποτικού βραχίονα - - Talos Κ.ε(ράλαιο 2 Διαφορές εικ όνα ς -(Image Differencing) Η πλέον πιο σημαντική λειτουργία της επεξεργασίας εικόνας για την ουσιαστική ανίχνευση avnkapsvwv είναι η εύρεση διαφορών ανάμεσα στις εικόνες που λαμβάνονται από την κάμερα. Με την απλή πράξη της αλγεβρικής αφαίρεσης μεταξύ δισδιάστατων πινάκων (εικόνα) βγαίνει εύκολα το αποτέλεσμα της εικόνας διαφοράς. Στη περίπτωση μάλιστα που εφαρμόζεται σε μία σειρά από εικόνες που λαμβάνονται από μία σταθερή κάμερα η διαφορά είναι ξεκάθαρα το εισερχόμενο αντικείμενο στο χώρο. Για να γίνει πιο σαφές θα χρησιμοποιηθεί ένα παράδειγμα. t Εικ H διαφορά των δύο εικόνων. Έχει μετατραπεί σε grayscale και έχει εφαρμοστεί κατωφλίωση Στην περίπτωση λοιπόν όπου η κάμερα είναι τοποθετημένη σε σταθερή θέση και λχχμβάνει διαρκώς εικόνες από ένα χώρο τότε η εύρεση της διαφοράς και κατ επέκταση του αντικειμένου είναι πολύ εύκολη υπόθεση. Αρχικά λαμβάνεται μία εικόνα του χώρου (background) χωρίς κανένα αντικείμενο. Στην υπόθεση που κάποιος εισέλθει στο χώρο η αφαίρεση της νέας εικόνας και της αρχικής (background) θα δώσει ένα αποτέλεσμα όπως αυτό που δείχνει η εικόνα Πρέπει να σημειωθεί πως η λειτουργία της αφαίρεσης εφαρμόζεται είτε σε εικόνες τριών καναλιών (RGB) είτε σε εικόνες ενός καναλιού (Grayscale) [2Θ],[Ι0]. Όμως όπως θα γίνει και αργότερα πιο κατανοητό είναι σκόπιμο να μετατρέπονται πρώτα σε grayscale εικόνες ώστε να είναι εύκολη και η μετέπειτα εφαρμογή της όποιας απαραίτητης κατωφλίωσης. Η μέθοδος της αφαίρεσης εικόνων όπως αναφέρθηκε είναι η ιδανικότερη λύση στον εντοπισμό αντικειμένων. Με την προϋπόθεση ότι η αφαίρεση γίνεται μεταξύ της εικόνας του χώρου (background) και των εικόνων που λαμβάνονται από μία σταθερή κάμερα. Όμως η μέθοδος εντοπισμού αντικειμένων με ανίχνευση διαφορών χρησιμοποιείται και στην ανίχνευση κίνησης. Εκεί η αφαίρεση γίνεται μεταξύ δύο