книги / Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы

Нис. 3.5. Дальнометрическое представление в ЭВМ внешней среды адаптивного робота, полученное с помощью акустического локатора для автомати­ ческого поиска прохода транспортным роботом в условиях псспрогио (кропанного изменения внеш­

ней обстановки

и передачу информации в ЭВМ. Диапазон измеряемых расстояний 0,3—10 мс, погрешность 1—3 %. Режим работы — импульсный с ча­ стотной модуляцией; длительность излучаемых сигналов адаптивно устанавливается в пределах от 0,1

девиация частоты ±10 кГц. Динамический диапазон усилителя огибающей акустического сигнала в устройстве аналоговой обра­ ботки составляет 70 дБ, что требует применения двенадцатиразряд­ ного преобразователя аналог-код. Предварительная цифровая об­ работка сигналов заключается в цифровой фильтрации, усреднении и запоминании результатов измерения в позиционном двоичнодесятичном коде.

Объем промежуточной оперативной памяти составляет 256 байт. Связь с ЭВМ осуществляется через мультиплексор датчика, пере­ дающий информацию из промежуточной памяти в виде двухбайто­ вых слов по команде с ЭВМ. При использовании дальномера для очувствления транспортного робота преобразователь размещается на поворотном устройстве (рис. 3.4). При вращении преобразователя вокруг своей оси на 360° датчик снимает окружающую панораму, по которой робот осуществляет поиск прохода и оценивает расстоя­ ние до объекта внешней среды. Пример такой панорамы приведен на рис. 3.5.

Ультразвук используется и для определения координат про­ мышленного робота или отдельных его компонентов. Например, разработана система для определения трех координат цехового транспортного робота с целью обеспечения управления его дви­ жением. Принцип работы этой системы основан на измерении раз­ ности расстояний от автономного излучателя, установленного на роботе, до четырех ближайших приемников, размещенных в помеще­ нии цеха, с последующим расчетом координат. В качестве излуча­ теля и приемников использованы пьезоэлектрические преобразо­ ватели. Режим работы — импульсный, частота излучения 40 кГц, длительность импульса 1 мс, частота повторений — переменная с возможностью управления от ЭВМ, число излучателей — 1, число одновременно подключаемых приемников — до 32.

Информация, поступающая в управляющую ЭВМ, выдается из специализированной памяти, входящей в состав интерфейсного

63

ультразвука в среде, предназначенный для повышения точности определения координат.

Аналогичную структуру имеет ультразвуковая система для опре­ деления координат захвата робота. Различие заключается в том, что, если в системе для транспортного робота излучатель электрически не связан с блоком обработки, то в системе для захвата манипуля­ тора генератор излучаемых импульсов запускается тактовыми им­ пульсами, поступающими с общего блока обработки. В этом случае расчет координат осуществляется по формулам, в которые входят абсолютные значения расстояний от излучателя, расположенного

использованы пьезоэлектрические преобразователи МУП-1 с рабо­ чей частотой 40 кГц. Преимуществами данной системы являются возможность измерения координат конца захвата непосредственно в декартовых координатах, а также исключение погрешности, возникающей в датчиках, устанавливаемых в сочленениях захвата.

В качестве силовых приводов многих роботов используются гидравлические системы, включающие несколько гидроцилиндров. При автоматизации процесса управления роботом необходимо опре­ делять относительное перемещение поршня в гидроцилиндре. Эту задачу выполняет акустический датчик, состоящий из генератора излучаемых сигналов, излучающего и приемного преобразователей, устройства аналоговой обработки, преобразователя аналог—код, интерфейса и синхронизатора. Излучающий преобразователь за­ крепляется на поршне, а приемный вмонтирован в корпус самого цилиндра. Это обеспечивает высокую помехозащищенность системы и исключает возможность воздействия на преобразователи внешних механических нагрузок. В зависимости от конструкции гидроци­ линдра может быть использован и совмещенный режим работы пре­ образователя.

В качестве ультразвуковых преобразователей используются пла­ стины керамики ЦТС-19. Режим работы — импульсный, частота заполнения излучаемых импульсов 1,25 МГц, максимальное число одновременно контролируемых цилиндров 8, погрешность измере­ ния 0,5 %, частота повторения излучаемых импульсов — перемен­ ная с возможностью управления от ЭВМ. В буферную память, входящую в состав интерфейса, заносятся результаты измерений, а также данные о скорости распространения ультразвука в зави­ симости от температуры и давления среды, получаемые с эталонного канала.

3.3. Оптические локационные датчики

Оптические локационные датчики основаны на эффектах взаимо­ действия света с поверхностью объекта (отражение, поглощение, рассеяние и т. д.) и предназначены для обнаружения объектов в рабочей зоне адаптивного робота и определения таких параметров, как координаты объекта, его герметические размеры, цвет, структура

64

Рис. 3.6. Принципиальная схема определений расстояния с помощно луча света

поверхности и др. Принцип оп­ ределения расстояния с помощью оптического локационного дат­ чика поясняет схема па рис. 3.6. Конденсированный световой по­ ток от источника света 2 про­

емник имеет соответствующую систему линз 5 для приема излуче­ ния только вдоль одной линии, пересекающей поверхность объекта 6. Так как зеркало 1 вращается с определенной частотой, фотоприем­ ник принимает световые импульсы 3 раза за два цикла частоты. При каждом попадании зеркала 1 в начальное положение выдается сигнал запуска генератора импульсов, который вырабатывает серию импульсов синхронизации высокой частоты. Эта серия импульсов поступает на счетчик, который останавливается в тот момент, когда световой поток попадает на фотоприемник. Показание счетчика пере­ считывается в угол поворота зеркала, по которому путем триангу­ ляции определяют расстояние до объекта. Базовая длина измерения, которая представляет собой вертикальное расстояние между зерка­ лом 1 и фотоприемником, влияет на точность измерений. Чем больше эта базовая длина, тем выше точность измерений. Но слишком большая база вызывает уменьшение принимаемого светового потока.

Теоретическая точность определения расстояния при дискрет­ ности измерения угла перемещения зеркала 0,216° и базовой длине

с такими датчиками и схема компоновки преобразователей в захвате приведены на рис. 3.7 и 3.8. На пальцах захвата размещено 12 дат­ чиков, которые сигнализируют о приближении захвата к объекту на расстояние 2—3 см. Датчики расположены на концах пальцев, на боковых и торцовых поверхностях.

Работа этого датчика основана на обнаружении светового потока, отраженного от объекта. Для исключения влияния внешнего осве­ щения на работу датчика используется модулированный по интен­ сивности световой поток. Внешний световой поток, как правило, постоянен или по крайней мере не модулирован частотами, исполь­ зованными в датчиках, поэтому влияние его сводится к минимуму.

В процессе работы робота возникает необходимость получать сведения не только о приближении или прикосновении к объекту, но и о наличии объекта внутри захвата между пальцами. Для этого на внутренней поверхности пальцев размещены еще четыре фото-

65

Рис. 3.7. Захват с оптическими локационными датчиками

Рис. 3.8. Схема компоновки оптических преобразователей: / — лампа накаливания; 2 — фотодиод; 3 — корпус

датчика, работающие не на отраженном свете, а на прямом просве­ чивании межпальцевого пространства. Они позволяют контролиро­ вать наличие объекта между губками, а также ориентировочно су­ дить о его положении по площади перекрываемого потока лучей.

Однокоординатный дальномер может быть использован для полу­ чения информации о пространственной топологии сцены, если его перемещать по линейным или угловым координатам.

Как показано на рис. 3.9, конфигурация объекта может быть получена с помощью однокоординатного дальномера путем проециро--. вания одного луча или сетки лучей из точки 2 на объект 3 и обзора или сканирования объекта из точки 1. Обычно достаточно проеци­ ровать один луч. Эта система имеет параллакс только в направлении оси X . Значение параллакса прямо пропорционально дистанции. Конфигурацию объектов можно также получить, если создать растро­ вую подсветку. Обработка изображения, полученного с помощью растра, может быть проведена методом Фурье. Анализ изображения может быть проведен как цифровыми методами, так и путем непосред­ ственной обработки оптической информации.

Лазерные дальномеры имеют высокую точность определения координат объектов, что объясняется острой направленностью луча лазера. В таком локаторе-дальномере лазерный луч через переда­ ющую оптическую систему направляется на объект (рис. 3.10, а). При этом часть отраженного сигнала с помощью объектива и узко­ полосного оптического фильтра поступает на фотоэлектронный де­ тектор, сигнал с фотоумножителя усиливается и измеряется. По числу импульсов, поступающих на измеритель за определенный промежуток времени, можно определить расстояние. Разработано большое число разнообразных схем лазерных дальномеров. Лазер­ ные дальномеры с импульсной модуляцией непригодны для измере­ ния расстояния менее 3 м, так как интервал времени между прямым

6 6

Рис. 3.9. Схема сканирования обьекга

Рис. 3.10. Принципиальная схема лазерного дальномера, работающего в режимах:

а — импульсном; б — непрерывном; 1 — электронный счетчик; 2 -- видеоусилитель; 3 — фотоэлемент; 4 — вращающийся зеркальный отражатель (модулятор); 5 — рубиновый стер­ жень; 6 — зеркало; 7 — фотоумножитель; 8 — фильтр; 9 — диафрагма; 10 — фазометр; 11 — фотодиод; 12 — полупроводниковый лазер

и отраженным сигналами становится соизмеримым с длительностью излучаемого импульса.

Для измерения малых расстояний применяют лазерные даль­ номеры, работающие в непрерывном режиме (рис. 3.10, б). Расстоя­ ния определяют путем сравнения фаз модулирующих колебаний, соответствующих моменту излучения и моменту прихода отраженных сигналов в приемное устройство локатора.

Для информационного обеспечения мобильных роботов разра­ ботан лазерный дальномер, используемый в обзорно-информационной системе (рис. 3.11). Для обработки информации, поступающей с дальномера, применяют мини-ЭВМ М-6000, однако возможно применение практически любой современной мини- и микроЭВМ, обладающей развитым набором средств коммутации и преобразо­ вания сигналов и обеспечивающей достаточное быстродействие.

Обзорно-информационная система позволяет измерять геометри­ ческие характеристики среды в сферической системе координат — дальность и угловое положение луча дальномера. Аппаратные возможности, заложенные в обзорно-информационной системе, обес­ печивают сканирование лучом поверхности с частотой 8 Гц в секторе обзора ±30°. При этом дискретность по углу сканирования может составлять 1°, 2° и 4°. Положением сектора обзора поверхности и дискретностью осмотра можно управлять от ЭВМ.

Обзорно-информационная система построена на базе полупро­ водникового лазера из арсенида гелия. Лазер работает в ближней инфракрасной области света (0,9 мкм). Режим работы лазера им­ пульсный, частота посылок импульсов около 2 МГц. В дальномере используется фазоимпульсный метод, позволяющий измерять рас*

67

Рнс. 3.11. Схема обзора и состав обзориоинформацнонной системы:

1 — блок управления; 2, 4, 10 — приводы по а 2, а 3, ос4; 3 — измеритель расстояний; 5 — устройство подкачки зеркала; 6 — отклоняющее зеркало; 7 — блок обзора; 8,

ласти внешней среды с целью выделения ее^характерных осо­ бенностей для реализации уп­

равления движением мобильных роботов. Чтобы обеспечить управ­ ление роботом в реальном масштабе времени, необходимо проведе­ ние сложных преобразований и расчетов дальномерно-угловых характеристик внешней среды. Ниже приведены рекомендации по организации этих преобразований в обзорно-информационной си-^" стеме, которые являются достаточно универсальными.

Измеренная дальность и значения углов для наблюдаемой точки поверхности преобразуются в декартовы координаты этой точки следующим образом (кинематическая схема системы приведена на

ос3 и а 4 осей вращения. Обозначим р — единичный вектор вдоль на­

луча измерителя расстояний от зеркала, d — измеренная линейная дальность в направлении текущих измерений S. Координаты из­

68

Рис. 3.12. Способы представления ло­

кационной дальнометрической инфор­ мации в ЭВМ:

ИП — информационное поле

Когда вектор р направлен

по оси вращения а 3, фор­ мулы для координат вектора S, направления измерений (без учета угла а 4) прини­ мают вид

S x = cos2 а х sin 2а2 C O S а 3 — sin 2аcos а 2 sin а3;

S y = cos2 а х sin 2 а 2 sin а 3 -)- sin 2 а х cos а 2 cos а 3;

S z = 1 — 2 cos2 а х cos2 а 2.

Осмотр участков внешней среды может быть обеспечен как за счет движения робота при фиксированных углах а 2, а 3, а 4, так и за счет изменения этих углов. Простейшей операцией при осмотре вторым способом будет наведение обзорной системы в заданную точку по центральному лучу. В этом случае

При а 4 = 0 для а 2, а 3 получим соотношения

Основные способы представления информации о результатах дальнометрического осмотра среды, полученной с помощью обзор­ ной системы при наблюдении из неподвижной точки, иллюстрирует рис. 3.12.

Совокупность данных для измеряемых точек, получаемая при сканировании зеркала, назовем сканом. Последовательность сканов образует матрицу — дальнометрическое описание осматриваемой сцены. Эта матрица получается, например, с помощью блока обзора при развертке поверхности по углу а 2. Осмотр сцены может включать одну или несколько разверток, отличающихся друг от друга углом а 3. Если осмотр состоит из ряда разверток, то получаемую в результате проведения каждой из них информацию, представленную в виде матриц, необходимо «склеить». Эго удобно делать, используя струк­ туры типа информационного поля, например, сферическое поле с (ф> Ф)> гДе с — одна из характеристик осмотра в данном направле­ нии, а сферические углы ср, ф определяются по формулам

<p= a rc tg ' S + а з;

i|> = arctg 2 cos а 2 V sin2 «2 ~г tg2 a i cos22a2 — tg2 а х

Удобно использовать также представление в виде картинного поля с (хк, у к), где х ю у к — координаты, определяющие направле-

69

У,см

300

ние в картинной плоскости (вертикальной или горизонтальной). Так, для горизонтальной картинной плоскости, находящейся на расстоянии Н от точки отражения от зеркала сканирующего луча, будем иметь

ственно в сферическом и картинном полях приведены на рис. 3.13Г

3.4. Электромагнитные локационные датчики

Электромагнитные методы основаны на взаимодействии электро­ магнитного поля с металлическими объектами различной формы. Сигнал преобразователя связан с параметрами объекта сложными функциональными зависимостями и является функцией таких ха­ рактеристик системы преобразователь—объект контроля, как рас­ стояние между преобразователем и объектом, электрическая про­ водимость, магнитная проницаемость, нарушение сплошности ма­ териала объекта, скорость взаимного перемещения объекта и пре­ образователя, форма объекта. В зависимости от частотного диапазона используемых полей выделяют магнитный, вихретоковый и радиоволновый методы. При магнитном методе применяется постоянное или низкочастотное (до 200—300 Гц) магнитное поле. Диапазон частот вихретокового метода 2* 102—5 -107 Гц. В радиоволновом при­ меняют электромагнитные волны сантиметрового или миллиметро­ вого диапазона (как правило, 3 и 8 мм).

Принцип действия магнитных датчиков основан на измерении напряженности магнитного поля вблизи металлических объектов,

70