Рис.3.2.КлассификацияСТЗ 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 изобра- жения координаторы делятся на СТЗ, используемые информационные линейки и поля (ИЛП) и телевизионные системы (ТС). Основным бло- ком является телекамера, осуществляющая считывание изображения и предварительную его обработку.
Обзорно-сравнительные системы извлекают необходимую инфор- мацию путем обзора пространства и сравнения полученных сигналов(изображений) с эталонными и делятся на ТС, светолокационные и кор- реляционные системы технического зрения (КСТЗ).
Биоструктуры, базирующиеся на принципе работы зрительных си- стем живых организмов, подразделяются на детекторы контуров и де- текторы движения.
По функциональному назначению СТЗ разделяются на системы, выявляющие свойства а) внешней среды (осмотр пространства, опреде- ление наличия объектов, их взаимосвязь), б) определенных объектов (распознавание цвета и формы, определение координат центра формы, угла ориентации и расстояния до объекта) и в) системы, определяющие параметры движения в среде.
Следующим основанием классификации, учитывающим особенно- сти применения СТЗ, является автономность. Автономные СТЗ по срав- нению с неавтономными не требуют наличия внешних устройств для получения или переработки информации. К ним относятся ТС, опто- электронные и светолокационные СТЗ, обрабатывающие информацию аналоговыми устройствами или микроэвм (микропроцессорами). Для функционирования неавтономных СТЗ необходимы либо свето-маяки, реперы, специальные метки, нанесенные>на предмет (сетка с чередую- щимися белыми и черными квадратами, насечки, соответствующие определенному коду), либо центральные ЭВМ, предназначенные для обработки информации о производственной сцене.
В зависимости от дальности действия различают сверхближние, ближние, дальние и сверхдальние СТЗ. СТЗ сверхближнего действия (СТЗСБД) используются в качестве измерителей расстояния и анализа- торов физико-химических характеристик объекта. Конструктивно СТЗСБД могут выполняться комбинацией оптических и тактильных сенсоров. СТЗ ближнего действия (СТЗБД) предназначены для анализа информации в локальной зоне промышленного робота (ПР) – подсчета числа объектов, определения расстояния до объектов и скорости их пе- ремещения и т. п. СТЗ строятся на основе ТС, ИЛП и светолокационных систем. СТЗ дальнего действия (СТЗДД) обеспечивают восприятие и анализ информации в пределах рабочей зоны ПР и создаются на базе ТС, ИЛП и светолокационных систем. СТЗ сверхдальнего действия (СТЗСДД) воспринимают информацию вне рабочей зоны ПР и обеспе- чивают контроль состояния свободного пространства вне этой зоны.
По методу получения информации СТЗ делят на пассивные и ак- тивные, каждая из которых может быть с фиксированным направлением восприятия (ФНВ) или с переменным направлением восприятия (ПНВ). Пассивные СТЗ функционируют без облучения, а активные СТЗ – с об- лучением поля зрения. Системы с ПНВ в отличие от систем с ФНВосуществляют сканирование либо датчиком изображения, либо считы- вающим лучом. К пассивным СТЗ с ФНВ относятся ТС, ИЛП и опто- электронные системы. Примером пассивных СТЗ с ПВН могут служить системы, в которых датчики изображения (ДИ) производят такие дви- жения, как сканирование вокруг предмета, качание и поисковые движе- ния совместно со схватом манипулятора. Активные СТЗ с ФНВ строят- ся (как и активные СТЗ с ПНВ) на принципе работы светолокационных систем. В активных СТЗ с ПНВ направление восприятия изменяется по командам от блока управления ЭВМ.
Количество датчиков изображения (глаз) СТЗ определяется сложно- стью решаемой задачи. По числу ДИ СТЗ подразделяются на монокулярные (одноглазые), бинокулярные (двуглазые), бинокулярные с дополнительным третьим видеодатчиком (трехглазые), бинокулярные с дополнительным тре- тьим 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. [1.1–1.4]. Двух-, трех-, четырех- и многоглазые системы позволяют воспри- нимать и обрабатывать трехмерную информацию.
С количеством ДИ связано и седьмое основание классификации – вид рабочей информации. По этому признаку различают одномерные, двумерные, и трехмерные СТЗ. К одномерным относятся системы, сни- мающие информацию в точке, в совокупности точек или линий. Дву- мерные системы анализируют информацию, снимаемую с плоских изображений. Трехмерные СТЗ обеспечивают восприятие и анализ объ- емных изображений. Последние способны восстанавливать трехмерные изображения по их проекциям.
По способу размещения СТЗ (или их ДИ) на робототехническом комплексе СТЗ делятся на стационарные, нестационарные и комбини- рованные. Стационарные СТЗ устанавливаются жестко над конвейером, перед ним или возле него. Нестационарные СТЗ располагаются на по- движных элементах конструкций робота, например, в охвате, на мани- пуляторе, на специальных механизмах качания СТЗ или вращения СТЗ. Комбинированные СТЗ представляют собой комбинацию стационарных и нестационарных СТЗ. Такие системы имеют не менее двух глаз.
В зависимости от метода обработки сигналов СТЗ разделяются на аналоговые (непрерывные), цифровые (дискретные) и аналого- цифровые (комбинированные). В аналоговых СТЗ все вычисления про- изводятся в аналоговой форме, а в цифровых – в цифровой форме на ЭВМ или спецпроцессорах. В аналого-цифровых СТЗ часть операций осуществляется в аналоговой, а другая часть в цифровой форме.
В зависимости от возможностей анализа цвета предмета СТЗ де- лятся на черно-белые и цветные. Наиболее широко применяются черно- белые СТЗ, в которых анализируются черно-белые изображения. Цвет- ные СТЗ различают спектр излучения от фиолетового до темно- красного цвета. Распознавание цвета в таких системах осуществляется с помощью светофильтров красно-зеленого цвета, установленных на вращающемся диске перед датчиком изображения.
Обобщенная структурная схема СТЗ
Укрупненная обобщенная схема СТЗ дана на рис. 3.3 [3.1, 3.2.]. Она будет заметно изменяться в зависимости от конкретного приложения и технической реализации СТЗ. Поскольку наибольшее применение полу- чили СТЗ цифрового типа, то представляет интерес рассмотрение обобщенной структурной схемы СТЗ с использованием микроЭВМ или микропроцессоров.
Структурная схема такой СТЗ совместно с системой управления адаптивным промышленным роботом приведена на рис. 3.3. В пред- ставленном варианте система технического зрения является функцио- нально автономной, так как, помимо спецпроцессора, предназначенного для обработки изображений, в ее состав входит микроЭВМ, осуществ- ляющая управление последовательностью выполнения процедур обра- ботки изображений, обмен информацией с системой планирования и управления движением робота, а также обеспечивающая реализацию различных алгоритмов адаптации системы технического зрения к изме- няющимся условиям внешней среды.
Важным блоком представленной СТЗ является блок ввода изобра- жения, в состав которого входит программно-управляемый коммутатор, обеспечивающий подключение требуемого датчика оптической инфор- мации, 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 видеомаги- страли. Управление порядком функционирования СТЗ осуществляется че- рез системную магистраль, к которой подключены все блоки системы.
Управление силовым блоком осветительной системы, осуществля- емое с целью компенсации изменений внешней освещенности, произво- дится программно, на основе анализа изображений поступающей от датчиков оптической информации (ДОИ). Число ДОИ определяется особенностями решаемой задачи промышленным роботом.
Рис. 3.3. Структура системы технического зренияисистемыуправленияпромышленнымроботом
Требования, предъявляемые СТЗ
Техническое задание на разработку СТЗ робота должно содержать ряд специфических требований: 1) к уровню «интеллекта», т. е. к способ- ности решать различного уровня сложности функциональные задачи;
форме и размерам рабочей зоны; 3) метрологические; 4) к совместимо- сти затрат времени на решение функциональных задач СТЗ с временны-ми характеристиками технологических циклов; 5) программной и аппа- ратной совместимости СТЗ и существующей системы управления робо- том (СУР); 6) гибкости перенастройки и перепрограммирования, расши- рения функциональных возможностей; 7) устойчивости процессов управления; 8) надежности (времени наработки на отказ), ремонтопри- годности, самодиагностики; 9) конструктивно-технологические; 10) экс-
плуатационные; 11) эргономические; 12) технико-экономические.
Требования к уровню «интеллекта» СТЗ определяются перечнем функциональных задач, сформулированных в техническом задании. Они являются определяющими при выборе технических средств реали- зации поставленных задач, затрат на создание СТЗ, поэтому подлежат тщательному анализу. Рассмотрим характерный пример.
В задании на разработку СТЗ ставится задача классификации и определения ориентации неперекрывающихся объектов, перемещаемых на ленте транспортера. Первоначальное предложение – создание СТЗ на основе передающей телевизионной камеры. Тщательный анализ с уче- том размеров объектов, их конфигурации, характерных признаков пока- зал, что та же задача решается с помощью матрицы дискретных датчи- ков оптической информации. Последнее решение позволяет исключить из состава СТЗ сложную и относительно дорогостоящую систему уси- ления и преобразования аналогового видеосигнала, а также существен- но упростить процедуру перестройки или перепрограммирования СТЗ.
Требования к форме и размерам рабочей зоны СТЗ робота опреде- ляются с учетом формы и размеров рабочей зоны манипуляторов робо- та, перечня функциональных задач. Выбор места расположения датчика текущего изображения (ДТИ) осуществляется с учетом следующих ре- комендаций:
а) для упрощения процедуры обработки видеосигналов, устранения перспективных искажений изображений фокальную плоскость ДТИ следует располагать параллельно одной из основных плоскостей или осей системы координат робота;
б) необходимо стремиться к минимальному изменению размеров объектов в поле зрения СТЗ при их перемещении в рабочей зоне;
в) желательно, чтобы наблюдаемые объекты хорошо контрастиро- вали на фоне, не перекрывались и не касались друг друга. При наличии перекрытий необходимо стремиться к их минимизации. Размещение ДОИ не должно препятствовать производственно-допустимым подхо- дам манипулятора и инструмента;
г) входной зрачок оптической системы ДОИ желательно размещать вне зоны воздействия красителей и брызг, стружки, охлаждающих сма- зочных или расплавленных веществ и т. п.;
д) в необходимых случаях в рабочей зоне робота формируются не- сколько рабочих сцен или используются несколько точек зрения с раз- личным ракурсом при соответствующем увеличении количества ДОИ.
Рабочая область СТЗ может полностью или частично перекрывать рабочую область манипуляторов и технологического оборудования, со- ставлять ее часть или находиться вне ее.
Таким образом, на основе требований к размерам рабочей зоны СТЗ формируются требования к оптической системе, ДОИ, осуществляется выбор количества и компоновочной схемы взаимного расположения ДОИ, элементов робота и технологического оборудования, источников оптического излучения с учетом возможных экранирующих эффектов.
Требования к совместимости затрат времени на решение функцио- нальных задач СТЗ с временными характеристиками технологических циклов являются решающими при определении необходимых затрат аппаратных и вычислительных ресурсов. На практике встречаются две основные ситуации:
СТЗ обеспечивает необходимое быстродействие и не нарушает вре- менные характеристики технологических циклов робототехнических систем;
достижение необходимого быстродействия СТЗ экономически целесообразно, поэтому скорость выполнения технологических циклов роботами и оборудование принудительно ограничиваются для согласо- вания с быстродействием СТЗ. Возможна промежуточная ситуация, ко- гда на одних этапах технологического цикла производительность опре- деляется быстродействием СТЗ, а на других – быстродействием робота и технологического оборудования.
Требования к программной и аппаратной совместимости различ- ных блоков СТЗ, а также СТЗ и системы управления робота являются определяющими при выборе структуры, состава аппаратных средств, включая интерфейс между отдельными узлами и внешними устрой- ствами. При разработке структуры СТЗ рекомендуется использовать из- делия Государственной системы промышленных приборов (ГСП) и средств автоматизации или изделия, удовлетворяющие стандартам ГСП (после доработки и утверждение ГСП должна войти в систему промыш- ленных приборов, средств вычислительной техники и автоматизации (ППСА), а стандарты ГСП – в Единую систему стандартов приборо- строения (ЕССП)). Применение ее изделий, входящих в ГСП, допуска- ется в том случае, если их аналоги в ГСП не удовлетворяют требовани- ям технического задания или отсутствуют.
Под аппаратной совместимостью понимают а) конструктивную сов- местимость используемых разъемов, плат, модулей, стоек и других кон- струкций, б) энергетическую совместимость по напряжениям и токам пи-тания, в) сигнальную совместимость по уровням аналоговых и цифровых сигналов, их временным характеристикам, г) схемотехническую совме- стимость по назначению линий связи (распайке проводников в разъемах), д) информационную совместимость по потокам управляющих (команд- ных и оповещения), информационных и программных сигналов (времен- ных диаграмм). Информационная совместимость непосредственно связа- на с программной. Кодирование символьной информации, используемой для ввода программ, команд и числовых данных, обмена сообщениями документации, осуществляется на основе ряда стандартов.
Программная совместимость включает совместимость а) протоко- лов обмена информацией, б) способов кодирования информации, в) языковую и смысловую совместимости программ пользователей и г) совместимость операционных систем.
Требования к возможности перенастройки и перепрограммирова- ния СТЗ существенно сужают область использования аппаратных средств, значение которых снижается в связи с развитием высокопроиз- водительной микропроцессорной техники.
Требования к расширению функциональных возможностей СТЗ в процессе их эксплуатации удовлетворяются на этапах схемотехническо- го проектирования (выделение резервных цифровых и аналоговых кана- лов для подключения ДИ и исполнительных механизмов, расширение нагрузочной способности интерфейса) и конструкторской проработки (выделение резервных разъемов, мест для установки дополнительных плат в конструктивах).
Требования к устойчивости процессов управления с помощью СТЗ, исключению автоколебательных процессов налагают ограничения на выбор результирующего времени реакции системы СТЗ-СУР-привод ПР Tна изменение управляемого параметра: