Информационная система

Информационно-измерительная система - неотъемлемая часть роботов, без которой они не могут нормально функционировать.

Человек и высшие животные получают информацию об изменениях в окружающем мире с помощью органов чувств, т. е. высокоспециализированных органов, которые развивались в процессе эволюции. Действия высших животных (поиск пищи, спасение от врагов, адаптация к внешней среде и т. д.) могут быть эффективными только тогда, когда они своевременно получают достаточно полную информацию о внешней среде, которую воспринимают органы чувств. У человека традиционно насчитывают пять органов чувств: зрения - глаза, слуха - уши, обоняния - нос, вкуса - язык, осязания - кожа. С развитием физиологии были обнаружены рецепторные системы двигательного аппарата, вестибулярный аппарат, различные рецепторы внутренних органов. Основной объем информации (более 80%) человек получает через органы зрения.

Современная физиология считает, что органы чувств - это сложные сенсорные системы (по терминологии И. П. Павлова, анализаторы), включающие рецепторы (или воспринимающие элементы), проводящие нервные пути и соответствующие отделы в головном мозге, которые преобразуют сигналы в ощущения. Органы чувств воспринимают изменения в окружающем мире в виде световых, механических (в том числе и звуковых) либо химических раздражений, воздействующих на клеточную мембрану рецептора или специализированную белковую молекулу. В результате воздействия происходит ряд новых ферментативных и электрических процессов и возникает электрохимический сигнал - нервный импульс, единый для рецепторов всех типов. Этот сигнал поступает по проводящим путям в головной мозг. Серии таких импульсов составляют своеобразный код, который расшифровывается в коре головного мозга и преображается в какой-либо образ внешнего мира.

Начало естественнонаучным исследованиям в этой области положено трудами Г. Галилея и Р. Декарта, с тех пор достигнуты большие успехи, однако многое еще здесь не ясно. Например, недостаточно изучены процессы преобразования энергии внешнего раздражителя в нервный импульс, которые протекают в рецепторных клетках; непонятно, как кодируется и декодируется информация, передаваемая последовательностью импульсов; слабо изучен механизм распознавания образов.

Эта недостаточная изученность в какой-то степени препятствует созданию эффективных информационно-измерительных систем роботов. Хотя вовсе не обязательно, чтобы они были одинаково устроены. Например, самолеты летают не так, как птицы, тем не менее они летают быстрее. Нынешние информационно-измерительные системы еще несовершенны, хотя и устроены подобно органам чувств человека. Функции рецепторов у робота выполняют датчики, воспринимающие информацию о внешней среде и преобразующие ее в электрические сигналы. Сигналы по каналам связи передаются в ЭВМ, которая обрабатывает полученную информацию, выявляет изменения во внешней среде, принимает решения о том, как должна функционировать управляющая система в изменившейся обстановке, и вырабатывает управляющие воздействия, которые передаются исполнительным органам. Таким образом, реализуется обратная связь, которая и позволяет роботу адаптироваться к изменениям внешней среды.

По функциональному назначению сенсорные системы делятся на две большие группы. В одну входят системы, предназначенные для восприятия и обработки информации о внешней относительно робота среде, в том числе и об объектах манипулирования; в другую - системы, предназначенные для контроля состояния самого робота. К первой группе относятся системы локационные, технического зрения, тактильные сенсорные. Датчики состояния манипулятора включают датчики положения звеньев манипулятора друг относительно друга, датчики скорости движения звеньев, датчики крутящего момента и средства внутренней диагностики.

Мы рассмотрим некоторые системы очувствления первой группы.

У роботов сенсорные системы, как и у человека, также специализированы. Промышленные роботы еще не "обладают" вкусом и обонянием, однако имеются сенсорные системы, выполняющие функции, аналогичные слуху, осязанию, зрению.

Системы распознавания и синтезаторы речи служат для того, чтобы упростить "общение" - обмен информацией между человеком и технической системой. Конечно, человеку удобнее всего давать указания, выслушивать сообщения с помощью человеческой речи. Сейчас уже разработаны и выпускаются промышленностью устройства распознавания речи, но возможности их еще невелики. Им нужно настраиваться на особенности речи каждого оператора, слова необходимо произносить очень четко и раздельно, словарный запас весьма ограничен - около 200 слов. Хотя это не так уж мало. Для сравнения можно вспомнить, что, как писали Ильф и Петров, "словарь Вильяма Шекспира, по подсчету исследователей, составляет двенадцать тысяч слов. Словарь негра из людоедского племени "Мумбо-Юмбо" составляет триста слов. Эллочка Щукина (Людоедка Эллочка) легко и свободно обходилась тридцатью". Язык программирования Бейсик включает около 500 слов.

Однако в роботах, используемых в производстве, такие устройства пока еще не применяются. Человек вынужден приспосабливаться к "языку" роботов.

На использовании звуковых и ультразвуковых колебаний основаны устройства другого типа - дальномеры, применяемые в исследовательских и мобильных роботах. Например, ультразвуковые дальномеры "дальнего диапазона" робота "Марк-5" (Англия) имеют максимальную дальность 4,5 м, минимальную - 3 см. Информация о расстоянии в "среднем диапазоне" воспринимается с помощью инфракрасной сенсорной системы близости. Принцип ее действия следующий: инфракрасный луч, испускаемый полупроводниковым инфракрасным светодиодом, отражается от поверхности препятствия или объекта манипулирования и воспринимается фотодиодом. Сенсоры этого типа могут располагаться между губками схвата и позволяют оценить правильность ориентации схвата относительно объекта. В системе "Марк-5" на "предплечье" манипулятора имеется "чувствительная" манжета, содержащая 18 сенсоров, позволяющих обнаружить опасность столкновения с препятствием.

Системы очувствления, наиболее широко используемые в современном гибком автоматизированном производстве (ГАП), - это системы технического зрения и тактильные сенсорные системы.

Как уже упоминалось, более 80% информации человек получает с помощью зрения. Пока рано говорить о соотношении объемов информации, получаемой роботами с помощью различных сенсорных систем, но системы технического зрения (СТЗ) и здесь, по-видимому, преобладают. Область применения СТЗ очень широка. С их помощью можно распознавать объекты производства, которые поступают на обработку, определять их ориентацию в пространстве, взаимное расположение, положение относительно технологического оборудования в ГАП. СТЗ позволяют выполнять технический контроль изделий в ходе технологического процесса - контролировать точность обработки детали, шероховатость поверхности, проверять, имеются ли трещины и раковины. В ГАП механической обработки СТЗ применяются для контроля состояния инструмента, например измерения износа режущей кромки.

В промышленных СТЗ обычно выделяются следующие основные подсистемы: видеодатчик, осветитель, блок обработки видеоинформации и микропроцессорная система управления с соответствующим математическим обеспечением.

В качестве видеодатчиков используются: промышленные телевизионные установки, выпускаемые серийно и имеющие до 700 точек съема информации со строки и 580 строк (однако вследствие геометрических искажений изображения, которые максимальны по краям кадра, кадр обычно имеет размер 512×512 элементов); датчики СТЗ на основе фотоэлементов, имеющие матричную структуру (серийно выпускаемые камеры содержат до 512×486 фотодиодов).

Процесс обработки зрительной информации включает следующие этапы. С помощью датчиков СТЗ информация о двухмерной или трехмерной сцене воспринимается и преобразуется в изображение. Это изображение передается в устройство обработки информации. В качестве таких устройств, как правило, используются средства вычислительной техники, поэтому в процессе передачи осуществляется первичная обработка информации, содержащейся в изображении, для преобразования ее в форму, воспринимаемую ЭВМ. Поступившая в ЭВМ информация подвергается анализу, в ходе которого выделяются характерные признаки объектов и создается формализованное описание среды, воспринимаемой СТЗ.

Затем решается задача идентификации, т. е. распознавания объектов, воспринимаемых СТЗ. Эта задача решается путем сопоставления полученного формализованного описания внешней среды с заданным множеством моделей объектов. Объекты сцены, их элементы в зависимости от расположения относительно источника освещения и отражательной способности поверхностей идентифицируются благодаря различиям в уровне яркости отраженного ими света (разумеется, для черно-белых СТЗ).

По способности выявлять различия между уровнями яркости разных точек изображения все СТЗ делятся на две группы - бинарные и полутоновые. Наиболее распространены сейчас бинарные системы, которые гораздо проще. В них яркость в каждой точке изображения может иметь только два значения: "черное" и "белое". Таковы, в частности, СТЗ, оснащенные датчиками на базе фотоэлементов. СТЗ на базе телекамер могут быть как бинарными, так и полутоновыми. Число градаций яркости (или уровней квантования) в них достигает 256. Полутоновые системы могут воспринимать и обрабатывать гораздо больше информации, но они пока еще очень сложны и имеют малое быстродействие. При выборе числа уровней квантования исходят из того, что при малом их числе могут возникать ложные контуры. При 256 уровнях квантования ложные контуры практически не возникают. Но увеличение числа уровней приводит к усложнению аппаратуры ввода и обработки. Например, для ввода 512×512 элементов при 256 уровнях квантования требуется 20 секунд, а чтобы сохранить в памяти ЭВМ информацию, содержащуюся только в одном кадре, необходим объем памяти не менее 8 Мбайтов (для сравнения можно вспомнить, что объем оперативной памяти ЭВМ ЕС-1022 - 512 Кбайтов, т. е. в 16 раз меньше).

По геометрическим характеристикам объектов сцены, воспринимаемых СТЗ, различают системы двухмерные и трехмерные. Двухмерные СТЗ работают обычно с одной видеокамерой при рассеянном освещении. Воспринимаемое ими изображение - плоское, как на обычной фотографии. Трехмерные СТЗ предназначены для идентификации любых пространственных характеристик объектов сцены. Однако в настоящее время действующие трехмерные системы могут быть использованы для решения упрощенных задач.

Различают два подкласса трехмерных СТЗ. Системы одного подкласса способны получать объемную информацию о сцене по серии плоских изображений. Расстояние по третьей координате может быть получено, например, путем поиска фиксированных точек объекта на стереоскопических изображениях и определения по относительному положению этих точек расстояния до камеры. В системах другого подкласса используется метод структурированного освещения или метод непосредственного измерения.

Метод структурированного освещения основан на использовании проекций световых масок. Такими масками служат световая точка, световая полоса, световая решетка из перпендикулярных световых полос. Если в любой момент времени известно взаимное расположение источника света и приемника в пространстве, то по смещению проекции световой маски на плоском изображении можно определить расстояние от поверхности объекта, отражающей свет, до видеокамеры.

Структурированное освещение используется, например, при сварке, когда необходима трехмерная информация о свариваемых деталях, в частности при сварке угловых швов. В одной из СТЗ, используемой адаптивным сварочным роботом, структурированное освещение обеспечивается с помощью лазерного луча. Форма светового пятна несет в себе необходимую информацию о трехмерной конфигурации сопряжения. СТЗ в реальном времени анализирует последовательность трехмерных изображений поверхностей свариваемых деталей в непосредственной близости от дуги. Датчик СТЗ установлен непосредственно на манипуляторе вместе со сварочной головкой. В результате анализа трехмерной модели стыка, построенной в соответствии с последовательностью изображений, СТЗ определяет конфигурацию свариваемых поверхностей и величину зазора между ними. На основе этой информации и заданной траектории сварного шва определяются координаты опорных точек, используемых системой управления при формировании траектории перемещения сварочной головки.

В трехмерных СТЗ, базирующихся на методе непосредственного измерения, расстояние до объекта и его элементов определяется по времени прохождения сигнала, т. е. фазового сдвига отраженного сигнала. В качестве источников сигнала используются лазеры, радары, сонары. Сигнал, отраженный от поверхности объектов сцены, несет информацию о пространственной форме этих объектов. Кроме методов непосредственного определения расстояния до любой точки объектов сцены путем измерения времени прохождения импульса, генерируемого сканирующим излучением, либо фазы отраженного света, используются методы, основанные на анализе интерференционной картины, получаемой в результате взаимодействия опорной и отраженной когерентных волн.

Изображение, получаемое с помощью датчиков СТЗ, содержит большой объем информации, поэтому очень сложной задачей является анализ изображения, в результате которого необходимо выделить смысловое его содержание, т. е. распознать, идентифицировать объект. При решении этой задачи обычно выделяют три уровня детализации изображения: точек, однородных областей и объектов сцены.

Однородные области - это связанные множества точек изображения, сходных по каким-либо признакам, например одинаковых по яркости. На уровне одинаковых областей анализируются, например, контуры объектов сцены. Для выявления контуров объектов используются методы прослеживания контуров, основанные на вычислении производных различного порядка в окрестностях точек, принадлежащих контуру. Эти методы реализуются алгоритмами последовательного анализа точек изображения, поэтому для обработки изображения требуется много времени. Развитие многопроцессорных вычислительных систем с иерархической (многоуровневой) структурой позволило создать алгоритмы параллельной обработки изображений. Изображение делится на фрагменты, каждый из которых анализируется своим микропроцессором и выявляет контуры, содержащиеся во фрагментах. Эти микропроцессоры составляют первый уровень иерархической многопроцессорной системы. Процессоры второго уровня объединяют контуры, полученные в сложных фрагментах, в контурное изображение сцены. Используя эту информацию, микропроцессор третьего уровня анализирует изображение на уровне объектов сцены.

Следует отметить, что существующие в настоящее время роботы, оснащенные СТЗ, не могут работать, если датчик СТЗ обнаружит "неизвестный" для робота объект, т. е. объект, информационная модель которого не хранится в памяти системы. Таким неизвестным для робота объектом может оказаться тот же объект, но расположенный в непривычном ракурсе.

Не меньшее значение имеют тактильные сенсорные системы роботов, воспроизводящие способности человека к осязанию. Рассмотрим их использование в роботах, предназначенных для сборочных работ.

Чаще всего тактильные датчики представляют сложные устройства, способные преобразовать физическое воздействие, в частности приложенные к ним силу или давление, в электрические сигналы. Эти свойства тактильных датчиков позволяют решать с их помощью ряд задач восприятия информации, например распознавание формы объекта, находящегося в схвате, положения детали относительно схвата, определение координат центра масс детали, контроль деформации объекта манипулирования и т. п.

Безусловно, эти способности тактильных сенсорных систем роботов еще очень далеки от возможностей человеческих пальцев, на каждом из которых имеется примерно 20000 нервных окончаний. При сборке вручную они могут давать, кроме перечисленной, гораздо более обширную информацию: о давлении в различных точках, вибрации, текстуре материала, температуре и т. д. Этими способностями человеческой кожи и пытаются наделить разработчики тактильные средства очувствления, получившие название "искусственная кожа". Она представляет матрицу, каждый элемент которой независимо от других воспринимает локальную информацию об усилиях, деформации, температурных изменениях и других контролируемых параметрах. Информация от каждого элемента матрицы поступает в центральный процессор, формирующий на основе ее общее "тактильное изображение".

В качестве материала для изготовления "искусственной кожи" используют, например, поливинилфторид. Пленка из поливинилфторида в результате особой обработки получает нужные пьезоэлектрические свойства и после этого металлизируется с обеих сторон. Помимо пьезоэлектрических свойств, позволяющих использовать эту пленку как чувствительный элемент для восприятия информации об изменении давления, она обладает пирометрическими свойствами, дающими возможность контролировать и температуру. Металлизация на пленке необходима для обеспечения электрического контакта.

Исследование операций автоматизированной сборки деталей мелких и средних размеров, проведенное с целью определения минимальных размеров и разрешающей способности тактильных датчиков, создаваемых в соответствии с этим принципом, позволило установить, что для широкого класса технологических процессов автоматизированной сборки удовлетворительные возможности имеют матричные датчики с чувствительными элементами, расположенными в узлах матрицы размером 8×8. Расстояние между чувствительными элементами 2,5 мм.

Подобные датчики уже начинают использоваться для оснащения промышленных роботов. Рассмотрим одну из тактильных сенсорных систем роботов, созданных на базе таких датчиков.

Датчик содержит 96 чувствительных элементов, из которых образована матрица размером 8×12 элементов. Габаритные размеры датчика 44,5×28,6×16,5 мм. Чувствительные элементы имеют нижний порог чувствительности 0,2 Н каждый и верхний порог чувствительности 112,5 Н при условии, что усилие направлено по нормали к поверхности датчика. Могут также восприниматься усилия, компланарные плоскости, образованной чувствительными элементами, т. е. сдвигающие усилия. Чувствительные участки датчиков, находящиеся в слое эластомерного материала и расположенные в узлах матрицы, воспринимают усилия и преобразуют их в электрические сигналы. Выходной сигнал датчика содержит информацию о месте приложения, величине и направлении вектора нагрузки. Выходной сигнал от каждого чувствительного элемента поступает на отдельный для каждого элемента усилитель сигнала, затем в аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор. Это позволяет производить параллельную обработку информации, поступающей от каждого чувствительного элемента матрицы.

Микропроцессор более высокого уровня обеспечивает организацию параллельного процесса предварительной обработки информации и передачи ее в ЭВМ верхнего уровня, формирует общее "тактильное изображение", решает задачи распознавания тактильных образов и выработки управляющих воздействий. Визуальный контроль информации, полученной датчиками, может быть осуществлен с помощью дисплея, на экран которого выводятся выходные сигналы чувствительных элементов. Каждому чувствительному элементу датчика соответствует на экране дисплея вертикальная линия, длина которой зависит от величины прилагаемого к этому элементу усилия и деформации чувствительного участка. О характере контакта можно судить по форме поверхности, образованной на экране дисплея концами вертикальных линий.

Величины усилий и деформаций позволяют определить численные значения моментов и давлений, воспринимаемых чувствительной поверхностью датчиков. Рабочая поверхность датчиков обычно изготовляется плоской, но может иметь и другую форму.

Применяются также датчики другого типа, в которых чувствительные элементы матрицы представляют электроды из токопроводящей силиконовой резины. На плате с печатным монтажом в виде параллельных полосок токопроводящего материала размещается слой параллельных друг другу силиконовых шнуров, имеющих полукруглое сечение диаметром 1,58 мм. Направления токопроводящих шин и силиконовых шнуров взаимно перпендикулярны. Чувствительными элементами в такой конструкции являются точки пересечения (точки контакта) шин и шнуров. В зависимости от величины давления в точке контакта меняется площадь контакта между шиной и шнуром, а это в свою очередь влияет на электрическое сопротивление контакта. Возрастание усилия приводит к деформации силиконового шнура, увеличению площади контакта и, следовательно, уменьшению сопротивления. Чтобы измерить усилие, прилагаемое к каждому чувствительному узлу матрицы, необходимо, подключив напряжение к шине и шнуру, которые образуют этот чувствительный узел, измерить величину сопротивления этой цепи, зависящую от усилия, приложенного к чувствительному узлу. Выходные сигналы чувствительных узлов считываются последовательно.

Прием сигналов обеспечивается за счет сканирования узлов матрицы с помощью аналоговых и цифровых устройств, как и в телевизионной трубке. Важным достоинством силиконовой резины является то, что не требуется усиления сигналов. Для предохранения чувствительных элементов рабочая поверхность датчиков покрывается эластичным материалом. По сложности задач, конструкции, объему информации тактильные сенсорные системы близки с СТЗ. Поэтому для приема и обработки в реальном масштабе времени информации, воспринимаемой тактильными датчиками, необходимы вычислительные средства, по мощности сравнимые с вычислительной техникой, применяемой для обработки зрительной информации.