книги / Робот. Компьютер. Гибкое производство

о пространственном состоянии объектов внешнего мира и исполнительных механизмов в текущий момент време­ ни, содержащиеся в динамической модели, реализующей единую информационную основу системы. Тем самым сокращается количество анализируемых при распознава­ нии вариантов сцены.

Переход от распознавания к уточнению является од­ ним из главных путей преодоления принципиальных труд­ ностей, связанных с тем, что используемые наиболее со­ ответствующие задаче распознавания объемных тел и пространственных сцен структурные методы распознава­ ния приводят к p-полной задаче.

Разработка средств автоматического восприятия, ана­ лиза и описания объемных тел и пространственных сцен базируется на методе комплексной обработки данных ра­ диометрических и пространственных измерений. Исполь­ зуется геометрическая модель объемных тел, для поиска структурных элементов которой и связей между ними раз­ работаны и разрабатываются программные и технические средства. Особенностью систем автоматического распоз­ навания зрительных образов применительно к задачам робототехники является необходимость решения задач в реальном времени при существенных ограничениях на их стоимость. Проведенные исследования подтвердили необходимость обеспечить единство алгоритмических, тех­ нических и технологических решений. Разработка спецвычислителей обработки изображений на базе серийно выпускаемых микропроцессорных комплектов и заказных матричных БИС показала, что таким образом могут быть реализованы в реальном времени алгоритмы, не реализуе­ мые на универсальных ЭВМ и что такая реализация йвляется рентабельной.

Для случая плоских деталей или объемных тел, рас­ познаваемых по одной или нескольким проекциям (си­ луэтам), создана система технического зрения промыш­ ленного назначения СТЗ ИК-1. На ее основе разработа­ ны система совмещения контактов при поверхностном монтаже корпусов БИС на плату и система прецезионного измерения параметров деталей точной механики.

Процесс планирования движений исполнительных ме­ ханизмов рассчитывает траекторию движения манипуля­ тора в среде с препятствиями [4]. Исходными данными являются положение схвата в исходном и целевом состоя­ ниях и данные о пространственном положении объектовпрепятствий, получаемых из динамической модели. Рас­

21

чет выполняется на основе кинематической и геометриче­ ской моделей манипулятора и геометрической модели объектов манипулирования и объектов-препятствий. Для упрощения вычисления расстояний от звеньев манипули­ рования и объекта манипулирования до объектов-препят­ ствий в модели объемные тела представлены в виде вы­ пуклых многогранников. Расчет траектории производится в дискретизированном пространстве обобщенных коорди­ нат модифицированным Л*-алгоритмом поиска на графе пути минимальной длины из начального в целевой узел графа [5]. Вычисление минимального расстояния от звеньев манипулятора и объекта манипулирования до препятствий производится в декартовом пространстве. И в случае данного процесса достижение реального вре­ мени планирования требует аппаратной реализации алго­ ритмов вычислений.

Процесс образного и текстового отображения состоя­ ния робота и объектов внешнего мира служит для орга­ низации диалога с человеком-оператором и другими тех­ ническими системами [6]. Наиболее информативным и привычным для человека является образное отображение в виде цветных полутоновых изображений объектов, вы­ свечиваемых на экране дисплея. Генерация таких изоб­ ражений является весьма трудоемкой в вычислительном плане. Для ее осуществления предложен и программно реализован метод распараллеливания вычислений. В ис­ пользуемых моделях тела представяются в виде много­ гранников. Отображение сцены, соответствующей теку­ щему моменту, строится на основании данных динамиче­ ской модели. Для генерации в реальном времени требует­ ся аппаратная реализация алгоритмов.

Все названные информационные процессы пользуются данными динамической модели, реализующей единую ин­ формационную основу функционирования системы [7]. Эти данные содержат наиболее общие сведения об объ­ ектах: имя, матрицу связи собственной системы коорди­ нат модели объекта с мировой системой координат и вид механической связи между объектами. Обновление дан­ ных - динамической модели может осуществляться всеми процессами, кроме процесса отображения. Первоначаль­ ное заполнение динамической модели осуществляется с использованием сведений о связях между объектами, хранящихся в каталоге моделей. Для организации быст­ рого доступа к данным динамической модели предложен аппарат оглавлений, размещаемых в постоянно отведен­

22

ных для них массивах памяти. В оглавлении записаиы ссылки на начала описаний моделей объектов, индексы имен которых соответствуют адресам в отведенном мас­ сиве памяти. При реализации названных процессов и процесса ведения динамической модели на отдельных процессорах может быть использована одинаковая индек­ сация имен объектов, что позволяет реализовать беспоисковый доступ к данным моделей по оглавлениям раз­ личных процессов.

Проведенные исследования показали, что задача соз­ дания информационного обеспечения автономных (интел­ лектуальных) роботов при сегодняшнем уровне информа­ тики, вычислительной техники и микроэлектронной тех­ нологии является практически разрешимой. Такому робо­ ту можно будет выдавать задание почти так же, как человеку: на близком к естественному языке, без излиш­ ней детализации и тем более без программирования дви­ жений исполнительных механизмов. Естественно, что ро­ боту должны быть сообщены (оператором либо техниче­ ской системой) модели объектов и их исходное и целевое состояния, модели технологического оборудования и инст­ румента, последовательность и вид операций над объек­ тами. На основании этих данных средства информацион­ ного обеспечения робота смогут сами составить план действий и программу движений исполнительных механиз­ мов, вступить в контакт с человеком, например, запро­ сить помощь в случае неудачи в поиске решения, объяс­ нить человеку мотивировку принятых решений.

Реализация отдельных информационных процессов мо­ жет быть практически использована для создания робо­ тонезависимых систем автономного программирования ро­ ботизированных систем, систем диалогового управления в режиме предсказывающего дисплея, систем технического зрения и образного отображения, которые имеют не толь­ ко робототехническое применение.

В силу многоплановости проблем, возникающих при создании информационного обеспечения автономных ро­ ботов, важную роль играют результаты в области инфор­ матики и вычислительной техники. Становление инфор­ матики явилось логическим завершением тех тенденций в науке и управлении, которые развивались в последние десятилетия — применение математических методов, си­ стемный анализ, машинный эксперимент, моделирование, оптимизация, автоматизация обработки данных и подго­ товки решений и ее высшая ступень — интегрированные

23

автоматизированные системы. Всепроникающее проявле­ ние этих тенденций связано с массовой компьютеризаци­ ей на основе широкого использования микропроцессорной техники, созданием новейших средств сбора и передачи информации. Современное развитие компьютеризации базируется на создании высокопроизводительных и на­ дежных программно-технических комплексов, применении в широких масштабах элементной базы повышенной на­ дежности, сверхбольших интегральных схем, массовом выпуске микропроцессорных систем и персональных ком­ пьютеров, формировании распределенных баз данных, се­ тей межмашинного информационного обмена, повышении интеллектуального уровня машин и систем, что является необходимой предпосылкой решения многих проблем ав­ томатизации, в том числе и проблемы создания автоном­ ных (интеллектуальных) роботов.

ЛИТЕРАТУРА

1.Михалевич В. С. Информатика и комплексная автоматизация - важнейшие факторы прогресса // Управляющие системы и машины. 1987. № 6. С. 3—6.

2.Рыбак В. И. Информационные процессы автономных манипу­ ляционных роботов/ / Тез. докл. IV Всесоюз. совещ. по робото­ техническим системам. Ч. 1 (Киев, 27-29 окт. 1987 г.). Киев:

ИК АН УССР, 1987. С. 15-16.

3.Боровский А . Н., Юрчак О. И. Интерпретация операторов язы­ ка управления роботизированной сборкой/ / Дедуктивные по­

строения в системах искусственного интеллекта и моделирова­ ние автономных роботов. Киев: ИК АН УССР, 1987. С. 48-57.

4.Пронин А. С. Синтез программных траекторий движения мани­ пулятора в среде с препятствиями // Там же. С. 57-67.

5.Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта. М.: Радио и связь, 1985. 373 с.

6.Рыбак В. И., Боровский А . Н. Программирование движений ма­ нипуляционных роботов с использованием модели внешнего мира/ / Автономные роботы и распознавание образов. Киев: ИК АН УССР, 1986. С. 4-10.

7.Рыбак В. И. Динамическая модель внешнего мира автономных манипуляционных роботов/ / Дедуктивные построения в систе­

мах искусственного интеллекта и моделирование автономных роботов. Киев: ИК АН УССР, 1987. С. 39-48,

ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ И СИЛОВОГО ОЧУВСТВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Е. П. ПОПОВ, Г. В. ПИСЬМЕННЫЙ

Большинство промышленных роботов относится к робо­ там первого поколения, которые работают по жесткой программе. Поэтому для их успешного функционирования требуется высокая организация производственной обста­ новки, в частности упорядочение рабочей среды. Однако при этом перестройка производства часто может дорого стоить, поскольку потребует дополнительных затрат на разработку, создание и внедрение специального оборудо­ вания типа вибробункеров, ориептаторов. Это оборудова­ ние идеально приспособлено к данному типу деталей, но может стать непригодным при изменениях в конструкции выпускаемых изделий. Все это затрудняет быстрое освоение новых видов продукции.

Кроме того, в последнее время все большее число про­ мышленных роботов требуется для непосредственного вы­ полнения основных технологических операций, таких, на­ пример, как сборка, электродуговая сварка, абразивная зачистка облоя, и для других подобных работ.

Однако перечисленные операции относятся при робо­ тизации к категории работ высокой степени сложности. Их трудно автоматизировать с помощью роботов первого поколения, поскольку в этом случае надо достаточно точно знать расположение собираемых изделий, простран­ ственную ориентацию сварочного шва или значения сил и моментов, действующих между сопрягаемыми деталями. Многие из этих данных, априорно вводимых в программу управления роботом, определяются целым рядом заранее не предсказуемых факторов, что не позволяет задать их с требуемой для технологического процесса точностью.

25

Поэтому необходимо обеспечить роботу возможность автоматически производить оценку погрешностей началь­ ной установки или взаимного расположения деталей и захватного устройства робота, определять тип изделия, поступающего на рабочую позицию, и контролировать его характерные размеры, следить за отклонением реаль­ ной траектории сварочного шва от заданной в программе робота, а в других случаях —измерять контактные силы и моменты, возникающие между захватным устройством робота и изделием.

Реализовать указанные возможности в большинстве случаев удается лишь оснастив промышленный робот со­ ответствующими информационными системами, среди ко­ торых наибольшее значение имеют системы технического зрения (СТЗ) и системы силомоментного очувствления.

Кафедра робототехнических систем МВТУ им. Н. Э. Ба­ умана начала активно работать по созданию систем очув­ ствления для промышленных роботов в 80-х годах. Вна­ чале по консультации с промышленностью была создана первоочередная номенклатура средств очувствления, а за­ тем начались разработки.

Системы технического зрения

Система технического зрения представляет собой устрой­ ство, включающее датчик изображения, устройство пред­ варительной обработки визуальной информации, интер­ фейс для ввода изображения в вычислительное устройство, в качестве которого могут быть использованы, в зависи­ мости от сложности задачи, специализированный вычисли­ тель-микропроцессор, микро-ЭВМ или вычислительная ма­ шина большей мощности.

Одна из первых наших СТЗ (1980 г.) для измерения координат одиночных объектов в поле зрения имела ап­ паратно реализованный вычислитель координат и углово­ го положения детали.

Следующая разработка (1981 г.) включала микро-ЭВМ «Электроника-60» для обработки изображений, получае­ мых на базе малогабаритной телевизионной установки МТУ-1. Система легко перепрограммируется на выполне­ ние различных технологических задач.

Функциональная схема СТЗ, базирующейся на стан­ дартной микро-ЭВМ, изображена на рис. 1, где указаны функции каждого из модулей.

26

Выделение признаков Вывод

Рис. 1. Функциональная схема GT3

X

Рис. 2. Пример сканирования изображения

Рис. 3. Структурная схема программы сканирования

Разработанные в Научно-учебном центре «Робототех­ ника» при МВТУ им. Н. Э. Баумана системы техническо­ го зрения представляют собой перепрограммируемые, обу­ чаемые автоматы, решающие в реальном времени проте­ кания технологического процесса упрощенные задачи идентификации, определения координат и характерных особенностей деталей. Созданные образцы СТЗ уже полу­ чили практическое применение в промышленности. Они позволили автоматизировать большое число разнообраз­ ных технологических операций на ряде предприятий при­ боростроения, машиностроения и электронной промышлен­ ности и существенно повысить гибкость производственно­

28

го оборудования, в составе которого они там использу­ ются.

Принцип построчного считывания потенциального рельефа с мишени видикона или матрицы ПЗС с после­ дующим квантованием телевизионного растра позволяет выделить 256X256 бинарных элементов изображения и осуществить их ввод в память микро-ЭВМ в виде 16-раз- рядных параллельных двоичных слов за время, не пре­

ных по каждой строке).

Надо сказать, что требование обработки информации СТЗ в реальном времени хода технологического процесса требует наиболее простых и быстродействующих алгорит­

29

мов распознавания и идентификации изображений дета­ лей и обстановки. Поэтому тут нельзя ориентироваться на существующую сложную теорию распознавания обра­ зов.

Наиболее часто для описания изображения использу­ ют различные системы структурных или интегральных признаков, инвариантных к сдвигу и повороту объекта в поле зрения. В рассматриваемых системах технического зрения применены интегральные признаки, включающие вычисление площади, длины, периметра, площади отвер­ стий, моментов инерции и др.

Рабочий и отладочный комплексы СТЗ

Система технического зрения, имеющая мнимальное ко­ личество периферийного оборудования и, как следствие, низкую стоимость, представляет собой «рабочий комплекс СТЗ» (рис. 5). Назначение его —обработка изображений деталей по заданной заранее программе непосредственно в цеховых условиях.

Рис. 5. Структура СТЗ

30