Робототехника в промышленности и ИИ

При анализе информации используется модель среды в виде математической модели о рабочей сцене, которая уточняется с помощью подсистемы связи. Полученная информация используется на исполнительном, тактическом и стратегическом уровнях. Эти движения реализуются рабочим механизмом (манипулятор, транспортная тележка). Функциональные возможности промышленных роботов (ПР), их динамическая точность, надежность и быстродействие в значительной мере определяются видом и составом информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС), в состав которой, в зависимости от характера решаемых задач и функциональных особенностей, могут входить различные наборы датчиков, т.е. образуется так называемая система очувствления промышленных роботов.

Информация, поступающая с различных сенсорных устройств, используется в системе управления робота для обнаружения и распознавания объектов внешней среды, построения цифровой модели, а также для управления движением робота и его манипуляторов при выполнении различных технологических операций.

Датчик представляет собой устройство, которое под воздействием измеряемой величины выдает эквивалентный сигнал (ток, напряжение, импеданс), являющийся однозначной функцией измеряемой величины.

Информационно-сенсорная система промышленного робота представляет собой набор датчиков, а также измерительных и вычислительных средств. Все датчики промышленных роботов могут быть разделены на две большие группы, рис. 4.2, внешние и внутренние подсистемы.

Рис. 4.2. Классификация датчиков промышленных роботов

Внешние подсистемы определяют положение робота в пространстве, его ориентацию, позу, параметры движения, усилия в исполнительной системе робота, силы взаимодействия со внешними объектами, а также определяют отдельные физико-химические свойства внешней среды. В эти подсистемы входят датчики перемещения (абсолютные и относительные): угол между звеньями манипулятора, угол поворота колес; датчики скорости: скорость вращения колес, гироскопы: угловые скорости, акселерометры: ускорение, датчики усилия: усилия приводов, сила реакции внешней среды. Внешние датчики, предназначенные для получения информации о внешней среде, включают:

-визуальные датчики (системы технического зрения), позволяющие роботу распознавать обстановку и предметы для контроля хода операции или непосредственно для регулирования ее выполнения с автоматическим принятием решения о необходимых действиях робота в распознанной обстановке;

-силовые или силомоментные сенсорные устройства, придающие манипулятору ощущение производимого комплекса усилий при работе в контакте с предметами, при этом измеряются действующие силы и моменты в плоской или в пространственной системе координат;

-локационные сенсоры, которые с помощью каких-либо излучателей дистанционно реагируют на приближение робота к внешним предметам, определяя направление на предмет, дистанцию до него и скорость приближения;

-тактильные системы, которые придают манипулятору свойство осязания при соприкосновении с какими-либо предметами;

-датчики температуры, обеспечивающие восприятие температуры окружающей среды и (или) объектов манипулирования;

-химические датчики.

-другие сенсорные системы очувствления робота и РТК для определения свойств внешней среды, контроля процессов, качества выполняемой работы, механизмов и устройств собственно робота и т.п.

Внутренние подсистемы (кинестетические датчики)-датчики обратной связи, предназначены для получения информации о координатах и усилиях в сочленениях манипулятора, к ним относятся:

-датчики линейных и угловых перемещений (потенциометры, сельсины, индуктосины, фотоэлектрические преобразователи и др.);

-датчики линейных и угловых скоростей (тахогенераторы, струйные и фотоэлектрические датчики, импульсные генераторы и др.);

-измерители сил и моментов в сочленениях (тензодатчики, пьезоэлектрические датчики) усилий, возникающих при взаимодействии робота с внешней средой, прикосновения, проскальзывания и т. д.

Сенсорные устройства робота могут воспринимать информацию на различных расстояниях от ее источника. По этому признаку сенсорные устройства делятся на сверхближние, ближние, дальние и сверхдальние (работающие вне рабочей зоны).

Сенсорные устройства сверхближнего действия используют для очувствления захватов и других частей манипуляторов, а также корпуса робота. Они позволяют фиксировать их контакт с объектами внешней среды (тактильные датчики), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (силометрические датчики), фиксировать проскальзывание объектов

Сенсорные устройства ближнего действия обеспечивают получение необходимой информации в непосредственной близости от робота, но бесконтактным способом. К таким устройствам относятся локационные сенсоры захвата, неконтактные бамперы, различные дальномеры ближнего действия. Бесконтактные измерительные устройства технически сложнее контактных, но позволяют роботу выполнять задание с большей скоростью, заранее получать информацию о ближайших объектах и соответствующим образом корректировать свои действия.

Сенсорные устройства дальнего действия дают информацию о внешней среде и объеме всей рабочей зоны робота.

Сенсорные устройства сверхдальнего действия применяют главным образом в подвижных роботах. К таким устройствам относятся различные навигационные устройства, координаторы, локаторы и другие оптические, радиотехнические и телевизионные системы.

В бесконтактных сенсорных системах роботов для получения требуемой информации могут быть использованы излучаемые таким устройством специальные сигналы (оптические, радиотехнические, радиационные и т. п.) или естественные излучения среды и отдельных ее объектов. В зависимости от этого различают активные и пассивные сенсорные системы. Первые обязательно включают передающие устройства, излучающие первичный сигнал, и приемные устройства, регистрирующие прямой сигнал, прошедший через среду, или вторичный сигнал, отраженный от объектов среды.

Пассивные системы имеют только приемное устройство, а роль излучателя играют сами объекты внешней среды. Поэтому такие устройства технически обычно проще и дешевле, но зато и менее универсальны. Существуют также полуактивные сенсорные устройства, в которых в результате излучения внешней среды инициируется вторичное излучение ее объектов, принимаемое приемными устройствами, как в пассивных системах.

На рис. 4.3 приведена классификация сенсорных устройств по принципу действия.

Рис. 4.3. Классификация сенсорных устройств по принципу действия

.

Датчики внутреннего состояния служат для формирования сигналов в цепях обратных связей по положению и скорости звеньев манипулятора, по силе и моменту. Датчики внешнего состояния предназначены для измерения параметров в дальней и ближней зонах и для тактильных измерений.

Принцип действия бесконтактных датчиков основан на определении изменений акустического или электромагнитного полей взаимодействия с объектом.

4.1. Датчики внешней информации

4.1.1 Системы технического зрения

Системами технического зрения (СТЗ) в робототехнике называют сенсорные устройства, обеспечивающие получение изображений рабочих сцен и объектов, их преобразование, обработку и интерпретацию с помощью ЭВМ, а также передачу результатов управляющему устройству робота. Системы технического зрения роботов могут быть телевизионные, фоточувствительные ПЗС, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрический сигнал, лазерные и другие, которые дают возможность либо бинарного (черно-белого) определения очертаний предметов, т. е. в двух градациях, либо много градационного, когда они могут различать несколько градаций яркости, т. е. давать картину со множеством полутонов. Требование такой повышенной точности идентификации изображения зависит от потребностей технологического процесса. Этим определяется и сложность микропроцессорной обработки информации в таких системах.

Наиболее часто используемыми приемниками и первичными преобразователями видеоинформации в СТЗ являются ПЗС-матрицы, так как они по таким параметрам как интегральная чувствительность, минимальный размер чувствительного элемента и разброс частоты считывания имеют заметное преимущество перед фоторезистивными, фотодиодными и фототранзисторными многоэлементными фотоприемниками излучения.

Преимущества (по сравнению с применявшимися в недалеком прошлом телевизионными камерами промышленного телевидения на основе вакуумных трубок типа видикон, диссекторами, ПЗС камерами) состоит в следующем:

-отсутствие инерционности, низкий уровень выходных шумов,

-высокая линейность фотоэлектрического преобразования,

-малые размеры прибора,

-низкое напряжение и малая потребляемая мощность,

--высокая устойчивость к механическим, акустическим и электромагнитным воздействиям,

-более высекая надежность и долговечность.

Основной недостаток: потеря носителей заряда при переносе и, в связи с этим, искажение изображений, геометрический шум.

Искусственное зрение используется в робототехнических системах для разных целей: контроль качества выполнения технологической операции (в частности, контроль процесса сборки узлов изделий), обнаружение наличия предмета, распознавание фактически складывающейся обстановки, определение местоположения и ориентации предметов, идентификация и различение деталей в темпе хода технологического процесса. Системы искусственного зрения помогают роботу взять деталь с движущегося конвейера, произвести сборку изделия, окраску, сварку и другие операции.

Система технического зрения в общем случае должна обеспечивать:

1) восприятие (регистрацию) первичной информации – исходного изображения;

2) формирование модели ситуации на основе первичной зрительной информации для последующей обработки (аналоговая картинная модель, цифровая модель и т.п.);

3) поиск объектов;

4) классификацию объектов;

5) определение местонахождения объектов в рабочей зоне;

6) определение ориентации объектов в пространстве или на плоскости;

7) измерение характерных параметров объекта или совокупности объектов (числа объектов, геометрических размеров, площади, цвета и т.п.).

Обобщенная структурная схема технического зрения робота, рис. 4.4, содержит основную цепь регистрации изображения, обработки и формирования управляющих сигналов. Основная цепь СТЗ связана с датчиками изображения (ДИ1).

Вспомогательная цепь 2 связана с дополнительным датчиком изображения ДИд, конструктивно совмещенным с манипулятором робота. Цепь 1 может быть использована для поиска объекта манипулирования (ОМ) и его опознавания, наведения охвата робота на объект. Точное наведение (корректировка положения манипулятора) осуществляется с помощью вспомогательной цепи с датчиком ДИД.

Третья, четвертая и пятая цепи управления предназначены для настройки СТЗ, на выполнение определенной задачи путем изменения алгоритма обработки изображения, положения датчиков ДИ1–ДИд (изменения фокусировки, диафрагмы), положения и режима работы осветителя (ОС).

Рис.4.4. Структурная схема технического зрения

Шестая цепь управления предназначена для управления формирователем рабочей зоны (например, механизмом смещения или конвейером), осуществляющим подачу ОМ в рабочую зону.

На практике в схемах СТЗ могут отсутствовать те или иные цепи обратной связи, иметь различный тип и степень развития других устройств, но всегда имеется основная или вспомогательная цепь управления с датчиком изображения. В соответствии с принципами действия системы технического зрения подразделяются на СТЗ на основе двухпозиционных (логических) систем, координаторы, обзорно-сравнительные системы (ОСС) и биоструктуры.

Двухпозиционные СТЗ, построенные на логическом принципе решения «да-нет», в свою очередь, делятся на оптоэлектронные и светолокационные. К оптоэлектронным СТЗ относятся волоконно оптические системы, в которых информативным признаком является показатель преломления света. Светолокационные системы строятся на принципе излучатель–фотоприемник, источник света–фотодиод, лазер–фотоприемник, светоизлучатель–телекамера. Координаторы как класс СТЗ с помощью датчиков изображения и устройств обработки и анализа изображения регистрируют положение ОМ в рабочей зоне робота и на основе полученной видеоинформации определяют координаты ОМ. По типу используемого датчика изображения координаторы делятся на СТЗ, используемые информационные линейки, индивидуально-личностные поля (ИЛП) и телевизионные системы (ТС). Основным блоком является телекамера, осуществляющая считывание изображения и предварительную его обработку. Обзорно-сравнительные системы извлекают необходимую информацию путем обзора пространства и сравнения полученных сигналов (изображений) с эталонными и делятся на ТС, светолокационные и корреляционные системы технического зрения (КСТЗ).

По функциональному назначению СТЗ разделяются на системы, выявляющие свойства:

а) внешней среды (осмотр пространства, определение наличия объектов, их взаимосвязь),

б) определенных объектов (распознавание цвета и формы, определение координат центра формы, угла ориентации и расстояния до объекта),

в) системы, определяющие параметры движения в среде.

Количество датчиков изображения (глаз) СТЗ определяется сложностью решаемой задачи. По числу ДИ СТЗ подразделяются на монокулярные (одноглазые), бинокулярные (двуглазые), бинокулярные с дополнительным третьим видео датчиком (трехглазые), бинокулярные с дополнительным третьим и четвертым ДИ (четырехглазые) и многоглазые. Простейшим типом СТЗ являются одноглазые системы. Однако с их помощью можно решать довольно сложные задачи: распознавание формы, определение координат и ориентации объекта манипулирования, контроль поверхности объекта и др. Двух-, трех-, четырех- и многоглазые системы позволяют воспринимать и обрабатывать трехмерную информацию.

Укрупненная обобщенная схема структуры системы технического зрения в системе управления роботом дана на рис. 4.5. В представленном варианте система технического зрения является функционально автономной, так как, помимо спецпроцессора, предназначенного для обработки изображений, в ее состав входит микро-ЭВМ, осуществляющая управление последовательностью выполнения процедур обработки изображений, обмен информацией с системой планирования и управления движением робота, а также обеспечивающая реализацию различных алгоритмов адаптации системы технического зрения к изменяющимся условиям внешней среды.

Рис.4.5. Структура системы технического зрения и системы управления роботом

Важным блоком представленной СТЗ является блок ввода изображения, в состав которого входит программно-управляемый коммутатор, обеспечивающий подключение требуемого датчика оптической информации, аналого-цифровой преобразователь и буферное запоминающее устройство. Для хранения эталонных и исследуемых изображений используется память изображений, а для визуализации изображений в любой момент их обработки – устройство отображения. Все блоки СТЗ, непосредственно участвующие в обработке изображений, подключены к общей видео магистрали.

Управление порядком функционирования СТЗ осуществляется через системную магистраль, к которой подключены все блоки системы. Управление силовым блоком осветительной системы, осуществляемое с целью компенсации изменений внешней освещенности, производит программа на основе анализа изображений поступающей от датчиков оптической информации (ДОИ). Число ДОИ определяется особенностями решаемой задачи промышленным роботом.

Системы технического зрения запрограммированы для выполнения узко специализированных задач, таких как подсчет объектов на конвейере, чтение серийных номеров или поиск поверхностных дефектов. Польза системы визуальной инспекции на основе технического зрения заключается в высокой скорости работы с увеличением оборота, возможности 24-часовой работы и точности повторяемых измерений.

Видео датчик в СТЗ может быть закреплен на захвате робота (в измерительных роботах), а может находиться в фиксированном положении; аппаратная часть и ПО имеют особо тесную связь. На рис. 4.6. показана система технического зрения роботов SCARA с датчиком FQ-M компании Omron, который вычисляет координаты объектов и отправляет данные в контроллер YRC SCARA робота по сети Интернет.

Рис.4.6. Система технического зрения роботов SCARA с датчиком FQ-M

Компания KUKA (Германия), которая является одним из ведущих мировых производителей робототехники, создала стереосенсор KUKA 3D Perception. Сенсор со встроенной системой 3D-стереокамер позволяет осуществлять 3D-восприятие в режиме реального времени и обеспечивает 3D измерение и позиционирование в пространстве, рис.4.7. Благодаря интегрированной технологии KUKA_3D Perception обрабатывает данные изображения непосредственно в сенсоре и фиксирует текущее положение объекта с точностью до миллиметра.

Рис.4.7. Стерео сенсор KUKA 3D Perception

3D-сенсор может распознавать свое окружение как в условиях естественного света, так и при недостаточном освещении. Интегрированная графическая карта позволяет обрабатывать изображения глубины непосредственно в сенсоре. Внешних расчетов не требуется — идеально подходит для мобильных робототехнических систем. Высокопроизводительное аппаратное обеспечение разработано для использования в роботизированной среде, рассчитано на температуру до 50°C и соответствует классу защиты IP 54. 3D-сенсор также может быть подключен через стандартные интерфейсы, к стандартным библиотекам обработки изображений и другим программным средам, таким как ROS. Представление изображения может быть одноцветным или цветным.

4.1.2. Силомоментные датчики

Силомоментные датчики применяются в ПР, выполняющих технологические процедуры, в которых требуется анализ ситуации в зоне контакта деталей и дозирование усилия взаимодействия с объектом. Применение силомоментных датчиков в ряде случаев является экономически более целесообразным, чем оснащение ПР визуальными системами. Примером может служить роботизированная сборочная система «Сигма» итальянской фирмы «Оливетти», в которой применены силовые датчики.

Силомоментные датчики используются в основном для определения сил реакции, возникающих при механической сборке. Основные методы в этой области направлены на очувствление сочленений и схвата робота. Датчик сочленения измеряет в декартовых координатах силы и моменты, которые влияют на механизмы робота, и производит их векторное сложение. Для сочленения, перемещаемого с помощью двигателя постоянного тока, очувствление производится простым измерением тока. Датчики схвата размещаются между конечным звеном манипулятора и схватом. Они состоят из измерителей напряжений, которые определяют отклонение механической системы под действием внешних сил.

Силомоментные системы очувствления – это сенсорные устройства, обеспечивающие изменение компонент вектора силы и вектора момента сил, развиваемых роботом в процессе взаимодействия с изделием в проекции на некоторую систему координат. Система силомоментного очувствления состоит из механической части, представляющей собой совокупность упругих элементов с размещенными на них тензопреобразователями, формирующими электрический сигнал, пропорциональный деформации упругого элемента, усилительных и коммутирующих устройств и устройства для вычисления величин проекции вектора силы и вектора момента силы, 4.8.