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基於物聯網與人工智慧之工具機安全防護系統之設計

為了解決mesh wifi原理的問題，作者陳銘浩 這樣論述：

目錄摘要 ............................................................................................................................................. iAbstract ....................................................................................................................................... ii誌謝 .

.......................................................................................................................................... iii目錄 ........................................................................................................................................... iv圖目錄 .........

.............................................................................................................................. vi表目錄 ....................................................................................................................................... ix第一章 緒論 ......................

......................................................................................................... 11.1 前言 .............................................................................................................................. 11.2 文獻回顧 .................................................

..................................................................... 21.2.1 工具機機械安全防護 ....................................................................................... 21.2.2 工具機雷射安全防護 ....................................................................................... 21.2.3 即時監控工具機的人機介面

........................................................................... 31.3 研究目的與解決問題 .................................................................................................. 41.3 論文架構 ....................................................................................................

.................. 6第二章 學理基礎 ....................................................................................................................... 72.1 Dlib (人臉的特徵點偵測) ........................................................................................... 72.2 開源計算機視覺庫 (Open Source Computer Vi

sion Library) .................................... 92.3 卷積神經網絡 (Convolutional Neural Network) ....................................................... 102.3.1 卷積層 (Convolution Layer) ........................................................................... 122.3.2 池化層 (Pooling Layer) ..............

..................................................................... 122.3.3 全連接層 (Fully Connected Layer) ................................................................. 132.4 ImageNet ................................................................................................................

.... 132.5 遷移學習（Transfer Learning） ............................................................................... 152.6 MobileNet ................................................................................................................... 162.7 Mesh Wi-Fi 網路 .................................

....................................................................... 18第三章 系統設計 ..................................................................................................................... 203.1 系統架構 ........................................................................................

............................ 203.2 硬體設備 .................................................................................................................... 213.2.1 工具機 ............................................................................................................. 213.2.2 ESP32 DevKitC

V4 開發板 ............................................................................ 223.2.3 限動開關 ......................................................................................................... 253.2.4 超音波感測器 .................................................................................

................ 263.3 工具機安全機制 ........................................................................................................ 273.4 系統流程圖 ................................................................................................................ 283.4 App 人機介面設計 ......................

.............................................................................. 293.5 實驗方法 .................................................................................................................... 313.5.1 辨識素材製作 ..............................................................................

................... 313.5.2 深度學習 ......................................................................................................... 323.5.3 人員過於靠近工具機及限動開關的安全設計 ............................................. 353.5.3 Mesh 網路設計 .....................................................................

.......................... 35第四章 實驗結果 ..................................................................................................................... 384.1 影像處理產生訓練集 ................................................................................................ 384.2 人員配戴護目鏡辨識的安全設計 ..........

.................................................................. 414.2.1 使用手機做人員配戴護目鏡辨識 ................................................................. 414.2.2 辨識優化的演算法 ......................................................................................... 414.3 防止人員過於靠近工具機的安全設計 ..............

...................................................... 474.4 限動開關的安全設計 ................................................................................................ 484.5 使用 Mesh 網路做物聯網實現 ................................................................................. 49第五章 結論與未來研究方向 ...........

...................................................................................... 515.1 結論 ............................................................................................................................ 515.2 未來方向 ....................................................................

................................................ 51參考文獻 .................................................................................................................................. 53簡 歷 ...........................................................................................................

.......................... 57圖目錄圖 1- 1 機械性的危險[1] ........................................................................................................... 1圖 1- 2 雷射事故比例[8] ........................................................................................................... 3圖 1- 3 基於物聯網與人工智

慧之工具機安全防護系統概念圖 ............................................ 5圖 1- 4 技術架構 ........................................................................................................................ 5圖 2- 1 人臉辨識 .............................................................................................

........................... 8圖 2- 2 Dlib 68 points facial landmark[14] ................................................................................ 8圖 2- 3 全臉座標位置 ................................................................................................................ 9圖 2- 4 CNN 概念圖 1[16

] ....................................................................................................... 10圖 2- 5 CNN 概念圖 2[16] ....................................................................................................... 11圖 2- 6 Image 進行 Convolution Layer、Pooling Layer、Fully Connected L

ayer[16] ......... 11圖 2- 7 經過深度神經網路判斷出結果[16] ........................................................................... 11圖 2- 8 卷積示意圖 .................................................................................................................. 12圖 2- 9 卷積示意圖 .................................

................................................................................. 13圖 2- 10 全連接層的平坦化 .................................................................................................... 13圖 2- 11 深度學習模型的圖形辨識錯誤率的表現[12] ......................................................... 14圖 2- 1

2 深度學習模型概念圖 ................................................................................................ 15圖 2- 13 標準卷積遮罩[24] ..................................................................................................... 16圖 2- 14 Depthwise 卷積遮罩[24] .......................................

.................................................... 16圖 2- 15 Pointwise 卷積遮罩[24] ............................................................................................. 16圖 2- 16 一般卷積運算[25] ..................................................................................................... 1

7圖 2- 17 深度可分離卷積[25] ................................................................................................. 17圖 2- 18 網路拓譜(network topology)[27] .............................................................................. 18圖 2- 19 Mesh Wi-Fi 網路 .........................................

.............................................................. 19圖 3- 1 系統架構圖 .................................................................................................................. 20圖 3- 2 華正數控雕刻機 ..........................................................................................

................ 21圖 3- 3 華正數控雕刻機 .......................................................................................................... 21圖 3- 4 ESP32 DevKitC V4 開發板[29] .................................................................................. 22圖 3- 5 ESP32 WROOM 32 pin layout [29] ..

.......................................................................... 24圖 3- 6 安全監控系統接線圖 .................................................................................................. 25圖 3- 7 工具機控制系統接線圖 .......................................................................................

....... 25圖 3- 8 限動開關[30] ............................................................................................................... 26圖 3- 9 超音波距離感測原理 .................................................................................................. 26圖 3- 10 工具機安全機制 ..........................

.............................................................................. 27圖 3- 11 系統流程圖 ................................................................................................................ 28圖 3- 12 App 人機介面 .........................................................................

................................... 29圖 3- 13 藍芽傳送流程圖 ........................................................................................................ 30圖 3- 14 藍芽接收流程圖 ........................................................................................................ 30圖 3- 15 素材製作流程圖

........................................................................................................ 31圖 3- 16 素材製作流程圖 ........................................................................................................ 31圖 3- 17 護目鏡疊在人臉的流程圖[32][33] ..........................................

................................. 32圖 3- 18 加入訓練集資料 ........................................................................................................ 33圖 3- 19 選擇資料模型 ............................................................................................................ 33圖 3- 20 加入訓練資料

............................................................................................................ 34圖 3- 21 訓練結果 .................................................................................................................... 34圖 3- 22 人員過於靠近工具機及限動開關的安全設計 .............................

........................... 35圖 3- 23 安全監控系統端 Mesh 網路設計 ............................................................................. 36圖 3- 24 工具機系統端 Mesh 網路設計 ................................................................................. 37圖 4- 1 護目鏡需要旋轉的角度 .....................................

......................................................... 38圖 4- 2 護目鏡在人臉位置的座標 .......................................................................................... 38圖 4- 3 人員配戴護目鏡圖(a)原圖 (b)利用 dlib 程式經過影像處理戴上護目鏡 ................ 39圖 4- 4 人員配戴護目鏡圖(a)原圖(b)利用 dlib 程式經過影像處理戴上護目鏡 .................

39圖 4- 5 辨識素材(a)未配戴護目鏡的辨識素材 b) 配戴護目鏡的辨識素材 ........................ 40圖 4- 6 人員配戴護目鏡圖(a)原圖 (b)利用 dlib 程式經過影像處理戴上護目鏡 ................ 41圖 4- 7 護目鏡在人臉位置的座標 .......................................................................................... 42圖 4- 8 距離感測器安裝圖 ......................................

................................................................ 47圖 4- 9 人員過於接近工具機在 App 顯示"工具機緊急停止請復歸" .................................. 47圖 4- 10 限動開關安裝圖 ........................................................................................................ 48圖 4- 11 觸動限動開關在 App 顯示"工具機緊急停止請復歸" .

........................................... 48圖 4- 12 安全監控系統辨識透過 Mesh 網路停止工具機 ..................................................... 49圖 4- 13 工具系統的距離感測有小於 10 cm ......................................................................... 50圖 4- 14 安全監控系統收到由工具機系統傳來的 1 訊號 ................................

.................... 50表目錄表 3- 1 ESP32 DevKitC V4 開發板[29] .................................................................................. 23表 4- 1 人臉位置對判斷準確率影響 ...................................................................................... 41表 4- 2 人臉偏左情況下之改善 App 前後之後對人員未配戴護目鏡時之判定 ........

......... 43表 4- 3 人臉偏左情況下之改善 App 前後之後對人員有配戴護目鏡時之判定 ................. 43表 4- 4 人臉偏右情況下之改善 App 前後之後對人員未配戴護目鏡時之判定 ................. 43表 4- 5 人臉偏右情況下之改善 App 前後之後對人員有配戴護目鏡時之判定 ................. 43表 4- 6 人臉偏上情況下之改善 App 前後之後對人員未配戴護目鏡時之判定 ................. 44表 4- 7 人臉偏上情況下之改善 App 前後之後對人員有配戴護目鏡時之判定 ........

......... 44表 4- 8 人臉偏下情況下之改善 App 前後之後對人員未配戴護目鏡時之判定 ................. 44表 4- 9 人臉偏上情況下之改善 App 前後之後對人員有配戴護目鏡時之判定 ................. 44表 4- 10 TP、TN、FP、FN 定義 ........................................................................................... 45表 4- 11 改善判斷機制前的混淆矩陣 ..............................

...................................................... 45表 4- 12 改善判斷機制後的混淆矩陣 .................................................................................... 45表 4- 13 訓練結果 .................................................................................................................... 46