Visión para Posicionar un Manipulador Utilizando un Sistema de Visión Mono-ocular

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1 to. Congeso Nacional de Mecatónica, Novieme 8-0, 007 Asociación Mexicana de Mecatónica A.C. Visión paa Posiciona un Manipulado Utilizando un Sistema de Visión Mono-ocula Viamontes Reyna José Luis, González Galván Emilio J. Univesidad Tecnológica de San Luis Potosí, Pol. Av. De Las Ameitas #00, Rancho Nuevo, Soledad de Gaciano Sánchez S.L.P. México, 780 Univesidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. D. Manuel Nava 8, Zona Univesitaia San Luis Potosí, S.L.P. México, 7890 Resumen Aplicaciones pevias del método de Manipulación de Espacio de Cámaa (CSM paa el posicionamiento en un espacio tidimensional de un oot de uso industial, a involucado el uso de dos o más cámaas. El taao que se pesenta, muesta los esultados otenidos de la aplicación de CSM del polema de alcanza un posicionamiento tidimensional, utilizando un sistema de visión monoocula. La metodología popuesta toma ventae de conoce la supeficie en la cual va a inteactua el oot. Un oot Fanuc LRMate 00iB es usado, unto con una cámaa de visión DVT 0. La heamienta utilizada en el oot es un mini talado. El método puede hace que la heamienta se pueda posiciona en una oientación aitaia soe la supeficie, peo paa las pueas desaolladas, la heamienta se posicionaá de una foma pependicula a la misma. Palaas clave: Manipulación de Espacio de Cámaa. Sistema de Visión mono-ocula. Manipulado.. Intoducción Es conveniente menciona que el conocimiento peciso de la uicación y geometía de la supeficie en la que va a inteactua el oot puede se suficiente paa evalua la configuación del mismo, aplicando la cinemática invesa sin el ecuso de un sistema de visión. Sin emago, factoes como eoes en la uicación de la pieza o efectos no modelados en el oot, como po eemplo una caliación impecisa o defomación en el dispositivo, hacen que este enfoque esulte insuficiente paa loga un posicionamiento peciso. Así, la aplicación de un sistema de visión lie de caliación como el que se popone en el pesente taao de investigación, hace que se loge el dole oetivo de posiciona de manea pecisa al oot sin eleva el gado de compleidad en su aplicación. Este enfoque en sí, epesenta una extensión oiginal del método de manipulación de espacio de cámaa que se utiliza paa el posicionamiento tidimensional peciso de un oot. Múltiples poyectos han involucado el uso de "Visual Sevoing (VS paa contola el posicionamiento de un manipulado, utilizando eto alimentación visual [],[],[],[]. El método popuesto, conocido como Manipulación de Espacio de Cámaa (CSM es una altenativa viale paa el contol de un oot manipulado utilizando visión. Actualmente, El método de CSM ha sido utilizado con dos o más cámaas paa vías de posiciona un manipulado en un espacio tidimensional, así como la oientación de la heamienta soe una supeficie aitaia. De foma adicional, hay aplicaciones en las cuales es impotante una descipción geomética pecisa de la supeficie donde el sistema va a inteactua. Po eemplo, supeficies de piezas de la industia automotiz, en la cual, la descipción geomética es conocida con gan pecisión. Estas ventaas pueden se utilizadas al utiliza una cámaa con el oetivo de alcanza un posicionamiento tidimensional de la heamienta utilizada po un oot. Como se descie aquí, la metodología popuesta CSM, es utilizada con una cámaa estacionaia en el tiempo de intevalo de la detección de la pieza de taao y la taea ealizada.. Desaollo Esta sección descie el pocedimiento geneal paa alcanza la localización y oientación de la heamienta manipulada, con especto a la 9

2 to. Congeso Nacional de Mecatónica, Novieme 8-0, 007 Asociación Mexicana de Mecatónica A.C. supeficie de la geometía conocida. Po simplificación, la supeficie consideada paa las pueas es plana, aunque la metodología puede se extendida paa otas supeficies. La metodología popuesta, puede se utilizada paa el cálculo de los seis gados de lietad de un oot industial, asado en que es conocida la cinemática de espacio de cámaa. La cinemática del espacio de cámaa consiste de la definición de una elación algeaica no lineal ente el sistema coodenado del oot y un númeo de macas visuales localizadas en la heamienta, elacionadas con el espacio de cámaa. Esta elación está asada en la consideación de un sencillo modelo otogáfico de cámaa.. Paámetos de visión. Un modelo otogáfico de cámaa fue usado en nuesto expeimento. El cual puede se otenido del modelo de cámaa de oificio el cual es pesentado en [5] y es utilizado en []. El modelo otogáfico de cámaa puede se descito po la siguiente expesión, estimación no lineal que involuca muestas en el espacio de cámaa y la coespondencia física de un númeo de macas localizadas en la heamienta, las cuales se muestan en la figua No.. Los seis paámetos de visión son actualizados duante la eecución de la manioa, usando muestas de las macas unto con el coespondiente modelo cinemático del azo. La pecisión del sistema es incementado usando un pocedimiento conocido como flattening, el cual en esencia, consiste en modifica las muestas del espacio de cámaa, paa hacelas mas consistentes con nuesto modelo otogáfico de cámaa. Las macas visuales consisten de LEDs de alta intensidad, uicados alededo de la heamienta y cuietos con acílico colo lanco, las posiciones físicas son conocidas, como se muesta en la figua No.. f ( x, y, z; C = x + x f ( x, y, z; C = x + y 5 y + z + 7 y + z + 8 ( Donde, 7 8 = ( C C 5 + C = ( C C = ( C C = ( C C + C + C C C C + C C ( Fig.. Root industial LR Mate 00iB y la heamienta utilizada. La pimea pate del pocedimiento estalece la elación ente las macas detectadas po la cámaa y el áea de taao. Las cuales pueden se otenidas al usa un apuntado lase y localizalas soe la supeficie donde el oot va a inteactua. Basado en las expesiones pevias, la localización del espacio de cámaa de las macas es pesentada po f f x y y, además... 8 son funciones que incluyen los T C = [ C... C ] seis paámetos de visión. La deteminación de los seis paámetos de visión es hecha usando un pocedimiento de Fig.. LEDs montados en la heamienta. Una esticción consideada paa el taao actual, es el considea que la geometía y localización de la supeficie de taao es conocida; en este caso la supeficie es un áea plana, paalela a los ees coodenados de oigen del oot X 0 y Y 0, el plano es localizado a una distancia apoximada de 5 mm deao de esos ees. Paa el expeimento pesentado, la ecuación del plano, dada po la 0

3 to. Congeso Nacional de Mecatónica, Novieme 8-0, 007 Asociación Mexicana de Mecatónica A.C. expesión ( puede se definida consideando muestas de la localización tidimensional de difeentes puntos poyectados soe la supeficie. Estos puntos son localizados en el espacio de cámaa y se les da una coespondencia tidimensional con especto al sistema coodenado peteneciente al oot. Los paámetos incluidos en la ecuación del plano pueden se encontados utilizando un poceso de minimización lineal. AX + BY + CZ + D = 0 (. Modelo cinemático del manipulado. Físicamente, la posición y oientación tidimensional de la heamienta, puede se deivada en temino del valo de las aticulaciones (pismáticas o evoluta del oot, usando el modelo cinemático. Estas coodenadas están elacionadas a los gados de lietad del manipulado. La cinemática del oot se elaciona con el estudio analítico de su geometía con especto a un sistema coodenado fio. El modelo cinemático no considea las fuezas y momentos que poducen el movimiento del oot. El oot Fanuc LR-Mate 00iB, mostado esquemáticamente en la figua No., es un manipulado del tipo antopomófico con seis gados de lietad, todas del tipo evoluta y son contolados po sevomotoes. El modelo cinemático de este oot es dado po la siguiente matiz T, T = AA A A A AT 5 xyz ( Fig. Sistema coodenado del oot sin considea la heamienta, las taslaciones están dadas en milímetos. Donde las matices A a A, asadas en la epesentación esquemática del oot en la figua No., están dadas po, cosθ 0 sinθ 50 cosθ = sinθ 0 cosθ 50sinθ A sinθ cosθ cosθ sinθ 0 90cosθ 75sinθ sinθ cosθ 0 90sinθ 75cosθ cosθ sinθ 0 0 sinθ cosθ cosθ5 sinθ5 0 80cosθ5 sinθ5 cosθ5 0 80sinθ cosθ sin θ 0 0 sin θ cosθ

4 to. Congeso Nacional de Mecatónica, Novieme 8-0, 007 Asociación Mexicana de Mecatónica A.C. La matiz T xyz considea la geometía de la heamienta. Paa el taao pesentado, esta matiz está dada po, T xyz = (5 Cada una de las macas luminosas tiene asignada una posición elativa a la heamienta, cada una de ellas se le tiene asignado un vecto que al ealiza el poducto maticial con especto a T xyz se otiene la posición física en el espacio tidimensional. Cada maca tiene el popósito de detemina cual es visile a la cámaa y seán usadas paa contola la manioa.. Estimación de la configuación intena del manipulado. Cuando dos o más cámaas son utilizadas, la configuación intena del manipulado, puede se otenida minimizando la función en la ecuación (. Esta expesión involuca n c cámaas y n t puntos oetivos: γ( nc nt ( i i i i i i Θ = Σi= Σ = {[ Xt fx( x y z ( Θ; C ] + [ i i i i i Yt fy( x y z ( Θ; C ] } W i ( Donde, T Θ = [ Θ,..., Θ ] Es la configuación del oot a esolve. i i Xt, Yt Es la posición de la -va cámaa. i i T C i = [ C,..., C ] Son los actuales paámetos de visión de la i-va cámaa. El peso elativo dado po cada punto oetivo i W es definido po, el cual, po popósitos pácticos, puede se consideado como valo de uno paa todos los puntos. Como solo una cámaa es utilizada, una sección de infomación adicional es equeida, en elación de evalua la configuación del oot. Esta infomación consiste en la ecuación de la supeficie donde el oot va a inteactua. Adicionalmente, solo se estaá evaluado un punto oetivo, po lo que la ecuación (, se edefine como se muesta en la ecuación (7, γ ( Θ = [ X f ( ( Θ; C] + [ Y t λφ( x f t y ( x x x y y y z z ( Θ z ( Θ; C ] (7 Donde λ es un multiplicado de Lagange y Φ es la esticción paa el áea plana de taao. La ecuación (7 es minimizada paa otene los valoes de los tes pimeos gados de lietad utilizando el método de Newton-Raphson. Los últimos tes gados de lietad son calculados al considea que la heamienta mostada en la figua No. dee de esta pependicula al plano descito po la ecuación (.. Desaollo del expeimento. El expeimento, utilizando la metodología descita, fue desaollado en el laoatoio de manufactua de la Univesidad Tecnológica de San Luis Potosí. Un Root manipulado maca Fanuc LRMate 00iB fue utilizado con un pota heamienta diseñado especialmente paa esta investigación, la cual se muesta en la figua No.. El algoitmo de contol fue desaollado en una computadoa Laptop con pocesado Celeon. La comunicación de la computadoa al oot se hizo utilizando el pueto seial RS- de amos equipos. La comunicación es necesaia paa otene la posición física del oot, mientas se encuenta en movimiento, así como el de envia al oot la configuación evaluada con el algoitmo de contol. Un apuntado lase es usado paa genea macas no pemanentes soe la supeficie donde el oot va a esta opeando. El punto lase que es poyectado soe la supeficie seá evaluada po medio de la cámaa, la cual, al opea en escala de gises, este punto se veá en colo lanco. Este hecho facilita la detección en el espacio de cámaa del centóide de dicho punto. El punto lase es usado como el punto oetivo el cual se quiee alcanza. El expeimento consiste en desplaza la punta de la heamienta, manipulada po el oot, paa colocala de manea pependicula al plano, soe el punto lase poyectado soe la supeficie. La configuación de la solución paa move al oot es otenida como se pesentó en la sección..

5 to. Congeso Nacional de Mecatónica, Novieme 8-0, 007 Asociación Mexicana de Mecatónica A.C. Mientas el oot está en movimiento, muestas de la localización de los LEDs uicados soe el pota heamienta otenidos en el espacio de cámaa y la coespondiente localización tidimensional, son utilizados con el oetivo de esta actualizando los paámetos de visión utilizando el poceso conocido como flattening, el cual es descito con detalle en [7]. Donde los valoes, en espacio de cámaa (pixeles, son pácticamente los mismos que los valoes medidos. Cuando el oot es enviado a la posición calculada, se pesenta un eo físico de apoximación que se encuenta en los angos de a milímetos, desde la punta de la heamienta al punto oetivo. Duante el desaollo del expeimento, una distosión, geneada po la lente fue osevada. Dicha distosión es mostada en la figua No., esta fuente de eo no es consideada en el pesente taao. Futuos taaos deeán esta enfocados paa detemina la influencia de dicha distosión en la pecisión final del sistema, así como la foma de educilos. Fig. 5. Imagen donde se muesta el punto oetivo Fig.. Distosión de la lente que afecta la imagen. Los esultados otenidos y pesentados en este documento paa la apoximación, fueon poados y solo es uno de los múltiples puntos que se utilizaon en difeentes pueas, paa este caso, las coodenadas del espacio de cámaa son x pix =00 y y pix =00. La imagen coespondiente a este expeimento es pesentado en la figua No. 5, y el esultado final es mostado en la figua No.. Los valoes calculados paa cada gado de lietad, otenidos como se pesenta en la sección. son: tgad = tgad = tgad = tgad = 0 t5gad = -.8 tgad = xt_cal = yt_cal = xpix = 00 ypix = 00 Fig.. posición del manipulado en el valo calculado, el punto es ostuido po la heamienta paa se visualizado po la cámaa.. Conclusiones y taaos futuos El expeimento desaollado, muesta la capacidad de alcanza un punto oetivo uicado de foma aitaia soe un espacio de taao, el cual es geneado po un apuntado lase, con un eo de apoximación en un ango de a milímetos. Los esultados otenidos muestan que la metodología popuesta puede se utilizada paa posiciona la heamienta del manipulado soe el punto oetivo, utilizando solo una cámaa. Difeentes Fuentes de eo pueden esta influyendo paa hace que la heamienta no se posiciones de foma coecta soe el oetivo. Ente estas fuentes de eo se encuentan,

6 to. Congeso Nacional de Mecatónica, Novieme 8-0, 007 Asociación Mexicana de Mecatónica A.C. la distosión de la lente, la luz de día pesente en el laoatoio, la iluminación atificial del laoatoio, etc. Los taaos futuos deeán se diectamente enfocados a educi las difeentes fuentes de eo, paa meoa la posición de la heamienta con especto a la supeficie de taao. La distosión de la lente puede se coegido, esto puede se po medio de softwae, así tamién, esta fuente de eo puede se esuelta si se modifica la posición de la cámaa, po eemplo, pependicula al supeficie de taao, adicionalmente, el númeo de puntos lase usados en la manioa tiene un valo impotante paa la pecisión del sistema, po lo que tendá que se investigada con un incemento en los mismos. Refeencias [] Mete I. Coke. Visual Contol of Root Manipulatos A Review CSIRO Division of Manufactuing Technology, Peston, Victoia, 07. Austalia 00 [] Cowan, Noah J.: Binocula Visual Sevoing With a Limited Field of View, Univesity of Califonia at Bekeley, Bekeley Califonia EUA, 00. [] Gegoy D. Hage, Seth Hutchinson, Pete Coke. Tutoial TT: A tutoial on Visual Sevo Contol IEEE Intenacional Confeence on Rootics and Automation, 99 [] Daius Buschka,Dana Cozas, Zach Dodds Geg Hage, Havey Mudd, Matin Jagesand Keith Yeex. Recent Methods fo Image-ased Modeling and Rendeing IEEE Vitual Reality 00 tutoial [5] Gonzalez-Galvan E.J, Pazos-Floes F, Skaa, S.B. Cadenas-Galindo A. Camea pan/tilt to Eliminate the Wokspace-size/Pixel-Resolution Tadeoff with Camea-Space Manipulation, Rootics and Compute-Integated Manufactuing. 00; 8(: [] Gonzalez Galvan, E.J., Cuz Ramiez, S.R., Duan Gacia, H.M.: Aplicación de Sensoes Múltiples Paa el Posicionamiento Tidimensional de Roots Usando Visión, Inteciencia. Vol., No.. 00, pp [7] Gonzalez-Galvan,E.J., Skaa,S.B., Kode,U.A., Chen,W.Z. Application of a Pecision Enhancing Measue in -D Rigid-Body Positioning Using Camea-Space Manipulation The Intenational Jounal of Rootics Reseach ISSN Vol., No.. Ail de 997, pp Título de susección

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