Кибернетическая картина мира. Есть многое на свете, друг Горацио, что недоступно нашим
 Скачать 14.04 Mb.
|
|
3.6. Информационные системы роботов одним из основных отличий роботов-манипуляторов, управляе- мых эвМ, является то, что они могут активно взаимодействовать с 145 реальной внешней средой, используя информацию о ее состоянии и о состоянии своих рабочих органов (рук, ног и т. п.). в общем виде задачи, выполняемые роботом-манипулятором, могут состоять из следующих этапов: поиск объекта (или объектов), передвижение руки (рук, рук с инструментами) к объекту, ориентация руки (ин- струмента) относительно объекта определенным образом, выполне- ние различного рода манипуляций, возвращение руки манипулято- ра в исходное положение или переход к следующей операции, пере- мещение всего робота в реальном физическом мире (цех завода, дно океана, космическая станция и т. п.), обход препятствий. в связи с этим роботу необходимо иметь информацию о геометрических характеристиках объектов, необходимых для их распознавания; о положении объектов и рук в пространстве; об усилиях, возникаю- щих в звеньях рабочих органов робота, и о параметрах движения звеньев рабочих органов. Информационные системы роботов представляют собой устрой- ства сбора и обработки информации. Рассмотрим некоторые общие требования, которые должны предъявляться к этим устройствам. Информация, получаемая от датчиков, должна быть экономичной с точки зрения загрузки вычислительной машины, поскольку, с одной стороны, одна эвМ может обслуживать одновременно не- сколько роботов, с другой стороны, эвМ может быть установлена на самом роботе. в то же время объем информации от датчиков должен обеспечивать некоторую избыточность, необходимую для надежной работы робота. Тогда при выходе из строя отдельного датчика или даже целой группы датчиков робот сможет продол- жать целесообразную деятельность, правда, за счет времени, точ- ности и т. п. Аппаратура преобразования сигналов устройств сбора инфор- мации в большинстве случаев находится на некотором удалении от чувствительных элементов. это обстоятельство налагает опреде- ленные требования на величину выходного сигнала и кабель связи. в простейшем случае передача сигналов с датчиков, расположен- ных на рабочих органах робота, осуществляется при помощи гиб- кого многожильного кабеля, проходящего через подвижные соч- ленения рук и ног робота. Поэтому целесообразно предусмотреть возможность использования для этих целей датчиков бесконтакт- ного типа или же передавать информацию через несколько каналов (жил кабеля). остальные требования во многом зависят от области использования роботов-манипуляторов [16–18]. 146 Устройства сбора информации можно разбить на два класса. 1. устройства сбора информации о состоянии рабочих органов. основными параметрами движения робота-манипулятора являют- ся линейные и угловые перемещения звеньев рук и ног робота в про- странстве. Соответствующие скорости и ускорение звеньев легко определяются путем последовательного дифференцирования. Рассмотрим датчики угловых и линейных перемещений, которые могут быть использованы в информационных системах роботов. для измерения угловых перемещений чаще всего применяют- ся потенциометрические датчики, преобразующие угол поворота в напряжение. Точность прецизионных потенциометров может достигать 0,01–0,05%, разрешающая способность – 0,05–0,01%. С повышением разрешающей способности потенциометра, как пра- вило, увеличиваются его габариты, которые для большинства пре- цизионных потенциометров колеблются в следующих пределах: диаметр 60–150 мм, высота 50–90 мм. Малые габариты и очень вы- сокую разрешающую способность имеют многооборотные спираль- ные потенциометры [16]. основные недостатки потенциометрических датчиков заклю- чаются в износе проволоки и щетки, ограниченной разрешающей способности и низкой чувствительности по напряжению. от этих недостатков свободны трансформаторные преобразователи угло- вых перемещений. Наибольшее распространение имеют вращаю- щиеся трансформаторы и сельсины, позволяющие получать напря- жения переменного тока, пропорциональные тригонометрическим функциям угла поворота или самому углу. Следует отметить, что однозначная зависимость выходного напряжения у них в функции угла поворота ограничена интервалом 0–п.Недостатком трансфор- маторных преобразователей является сравнительно низкая точ- ность воспроизведения функции угла поворота, не превышающая в большинстве случаев 0,1–0,2%. для измерения линейных перемещений можно использовать как потенциометрические, так и индуктивные датчики. Исполь- зование индуктивных датчиков для непосредственного измерения перемещения возможно только при движении подвижного звена в пределах 80– 100 мм [17]. для повышения точности измерения обычно применяют датчики дифференциального типа с двумя ка- тушками. основной недостаток этих датчиков заключается в не- линейности их характеристик, что и затрудняет их использование для измерения значительных перемещений. 147 И, наконец, для измерения линейных и угловых перемещений можно использовать счетные датчики, т. е. датчики, у которых выходная величина представляется числом импульсов. в тех слу- чаях, когда требуется различать направление изменения измеряе- мой величины, применяют двухфазную систему воспринимающих элементов. Рассмотрим схему (рис. 3.9) фотоэлектрического преоб- разователя с зубчатым диском и двумя фотодиодами, сдвинутыми один относительно другого на четверть зубцового деления. При вра- щении диска вправо выходной сигнал левого фотодиода опережает выходной сигнал правого; при вращении влево – наоборот. это дает возможность, используя логические цепи, различать импульсы, со- ответствующие увеличению и уменьшению угла поворота. Счетчик импульсов при этом должен быть реверсивным. Полупроводнико- вые тензосопротивления могут иметь как положительный, так и отрицательный коэффициент тензочувствительности, т. е. при де- формации их сопротивление может и увеличиваться, и уменьшать- ся. К их недостаткам следует отнести изменение коэффициента тензочувствительности в зависимости от уровня деформации, тем- пературы, удельного сопротивления материала. Рис. 3.9. Блок-схема фотометрического счетного датчика: 1 – источник света; 2, 3 – фотодиоды; 4, 5 – усилители; 6, 7 – триггеры; 8, 9 – ключи 148 2. устройства сбора информации о состоянии внешней сре- ды.Кпервой группе датчиков, которыми должны быть снабжены роботы-манипуляторы, относятся тактильные датчики. Их отли- чительной чертой является то, что в процессе работы к ним могут быть приложены значительные статические и динамические на- грузки. в то же время для обеспечения осторожной работы с объ- ектами зачастую требуется измерение малых усилий. Наибольшее распространение имеют два метода измерения усилий: 1) преобра- зование усилий в деформацию чувствительного элемента; 2) преоб- разование усилий в перемещение подвижной части чувствительно- го элемента. Исходя из требований большой перегрузочной способ- ности и износоустойчивости рабочая поверхность датчика должна удовлетворять требованию высокой механической прочности. Работу простейшей логической цепи (см. рис. 3.9) иллюстриру- ют кривые на рис. 3.10. Счетный датчик особенно удобен для ис- Рис. 3.10. Временная диаграмма работы фотометрического счетного датчика (см. рис. 3.9) 149 пользования с цифровой эвМ, так как в этом случае отпадает не- обходимость в аналого-кодовом преобразователе. Наряду с измерением угловых и линейных перемещений часто необходимо иметь информацию о различного рода деформациях и механических напряжениях. для измерения относительных де- формаций в пределах 0,005–1,5% обычно используются проволоч- ные тензометры на бумажной основе, а также фольговые и пленоч- ные тензосопротивления. Тензосопротивления практически безы- нерционны и могут применяться в диапазоне частот от 0 до 100 кГц [16]. Рядом преимуществ перед подобными тензосопротивлениями обладают полупроводниковые тензодатчики: очень малые размеры (до 1 мм), высокая тензочувствительность (на 2 порядка выше, чем у проволочных тензометров), высокий уровень выходного сигнала. Использование чувствительного элемента непосредственно в ка- честве рабочей поверхности (например, для измерения локальных усилий) в принципе возможно для некоторых типов преобразовате- лей (магнитоупругих, кристаллических полупроводниковых, про- водящей резины и др.). однако механические свойства материа- лов всех этих чувствительных элементов (кроме магнитоупругих) допускают такое использование только в самых благоприятных случаях – для работ с малыми нагрузками. Магнитоупругие преоб- разователи могут быть использованы только для измерения значи- тельных усилий (не менее 10 8 Па), поэтому применение их в каче- стве тактильных датчиков не рассматривается. Часто оказывается, что площадь приложения внешнего усилия меньше площади рабочей поверхности отдельного датчика. в этих случаях измеренная величина не должна зависеть от точки прило- жения усилия. это определяет требования к конструкции датчика. одна из возможных конструкций тактильного датчика с жест- кой рабочей поверхностью представляет собой металлическую пла- стину 1, свободно подвешенную на плоских пружинах 4 (рис. 3.11). отсутствие трения в направляющих (для малых усилий) и возмож- ность плавной регулировки 3 натяжения пружины позволяют из- мерять малые усилия. в то же время, благодаря упорам 2 датчик может выдерживать значительные перегрузки, в том числе и на- правленные вдоль рабочей поверхности. Чувствительные элемен- ты (на рисунке не показаны) располагаются в нескольких точках (четырех и более) по периметру рабочей поверхности. Благодаря этому суммарный сигнал практически не зависит от места прило- жения усилия. 150 Рассмотрим некоторые типы преобразователей и возможность их использования для создания тактильных датчиков. Простей- шим датчиком является контактный,т. е. датчик, в котором механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разом- кнутое состояние контактов. Контакты являются наиболее ответ- ственной частью датчика. Материал, конструкция, режим их рабо- ты определяют как надежность, так и стабильность работы датчика во времени. выбор материала контактов определяется прежде все- го контактным усилием, значение которого колеблется в широких пределах: 0,001 – 0,02 Н (для высокочувствительных маломощных контактных преобразователей). для большинства обычных мате- риалов контактов оптимальное усилие составляет 0,03 Н. Следует обращать особое внимание на износоустойчивость контактов. Наи- более стойкими по отношению к коррозии являются контакты из золота и платины, которые могут применяться при малых контакт- ных усилиях (0,01 – 0,02 Н), но их твердость и, соответственно, из- носоустойчивость невелики. Наиболее распространенным материа- лом для маломощных контактов является серебро. Под действием электрической искры серебряные контакты покрываются оксид- ной пленкой, которая электропроводна и легко разрушается при усилиях 0,05–1 Н. Контактные датчики могут использоваться в качестве тактиль- ных в нормальных атмосферных условиях. Их недостатки: невоз- можно использовать в химически активной среде и под водой: не- обходимо периодически проверять работоспособность контактов и чистить их. датчики с магнитоуправляемыми контактами свободны от перечисленных недостатков. Магнитоуправляемый контакт пред- Рис. 3.11. Тактильный датчик 151 ставляет собой стеклянную капсулу, внутри которой содержится нейтральный газ или вакуум. в капсулу впаяны пластинки из фер- ромагнитного материала, контактные поверхности которых имеют специальное покрытие, уменьшающее их износ. При действии на капсулу внешнего магнитного поля контакты замыкаются. Маг- нитоуправляемые контакты обладают большим быстродействием (время срабатывания 3 мс, отпускания – 0,8 мс), допускают боль- шое число включений (до 10 8 ), работают в широком диапазоне тем- ператур окружающей среды и обладают вибро- и ударостойкостью. Недостатком датчика является необходимость обеспечивать силь- ное внешнее магнитное поле. в качестве тактильных датчиков можно использовать и индук- тивные датчики (рис. 3.12), основанные на зависимости индуктив- ности системы от магнитного сопротивления зазора в магнитопро- воде. Рис. 3.12. Магнитоуправляемый контактный датчик: 1 – рабочая поверхность; 2 – магнит; 3 – магнитоуправляемый контакт; 4 – катушка Рис. 3.13. Схема образования поверхностных ультразвуковых волн: 1 – излучатель; 2 – призма; 3 – приемник 152 Индуктивные датчики отличаются надежностью в работе, высо- кой чувствительностью и малыми габаритами. в заключение рассмотрим тактильный датчик с использованием поверхностных ультразвуковых волн. Поверхностные волны пред- ставляют собой наложение волн, продольных и поперечных по от- ношению к направлению распространения колебаний. для такого наложения используются преобразователи в виде клина (рис. 3.13). Угол клина подбирается таким, чтобы, выходя из клина, волна рас- пространялась вдоль поверхности. Клин образует начало дорожки поверхностных волн, которая распространяется в виде прямоу- гольной полоски до тех пор, пока не встретит противоположный край пластины, где располагается приемник. При наличии препят- ствий ультразвуковая волна меняет свою форму (фазу и амплитуду колебаний), появляются гармонические составляющие. Приемник улавливает эти изменения и выдает сигнал о наличии препятствия. обычно поверхностные волны получаются в коротковолновом диа- пазоне ультразвуковых колебаний на частотах 1–10 МГц. Поверх- ностные ультразвуковые волны способны огибать кривые поверх- ности, если только не нарушается непрерывность или если кри- визна поверхности не меняется слишком круто. в последнее время в практике протезирования начинают применять датчики измере- ния механических усилий, которые используют проводящую рези- ну, изменяющую электрическое сопротивление при деформации; по-видимому, применение таких датчиков имеет перспективу и для роботов. Ко второй группе датчиков сбора информации о состоянии внеш- ней среды относятся датчики ближнего обнаружения, служащие для обнаружения объектов и препятствий на сравнительно небольшом расстоянии. в качестве таких датчиков можно использовать фото- метрические датчики, работающие по принципу измерения интен- сивности отраженного светового потока. для исключения фоновой засветки фотодиодов световой поток источника света модулируется по амплитуде. зона обнаружения предметов образуется пересечени- ем излучаемого и принимаемого световых потоков (рис. 3.14). При попадании предмета в зону обнаружения часть модулированного светового потока отражается и попадает на фотодиод. в некоторых случаях удобно использовать фотометрические датчики, работающие по принципу прерывания луча света. С их помощью можно перекрывать прямолинейные поверхности боль- шой длины (например, боковую поверхность схвата). 153 в случаях, когда применение фотометрических датчиков невоз- можно (например, в оптически малопрозрачных средах), целесоо- бразно применять ультразвуковые датчики. Работа ультразвуко- вого датчика ближнего обнаружения основана на регистрации сиг- налов, отраженных от предметов, находящихся в зоне слышимо- сти приемника (например, винтервале 0,01–0,1 м). в качестве датчиков ближнего обнаружения могут быть также использованы датчики, служащие для распознавания объектов по их физическим свойствам (температуре, запаху и др.). И, наконец, к третьей группе датчиков сбора информации о со- стоянии внешней среды относятся сканирующие локационные устройства, предназначенные для обнаружения объектов в рабочей зоне робота и определения их координат. При достаточной разрешающей способности системы возможно определение размера объектов. Локационные устройства в данном случае являются дальномерами, позволяющими измерять рассто- яние порядка нескольких метров. в настоящее время достаточно Рис. 3.14. Фотометрический датчик, измеряющий интенсивность отраженного светового потока: 1 – модулятор; 2 – источник света; 3 – передающее оптическое устройство; 4 – избирательный милливольтметр; 5 – фотодиод; 6 – приемное оптическое устройство; 7 – зона возможного обнаружения объектов 154 хорошо разработаны следующие типы локационных устройств для измерения малых расстояний: оптические (фотометрические, ла- зерные); акустические и локационные устройства, использующие ионизирующие излучения (рентгеновские, γ-лучи). для лазерных локаторов характерна большая точность опреде- ления координат обнаруживаемых объектов и высокая разрешаю- щая способность, что объясняется острой направленностью и весь- ма малой шириной луча лазера (несколько угловых секунд). Ла- зерный луч через передающую оптическую систему направляется на объект (рис. 3.15, а).Часть отраженного сигнала улавливается приемным объективом, на выходе которого находится узкополос- ный оптический фильтр. С его помощью выделяется отраженный сигнал даже на фоне излучения Солнца, поскольку полоса пропу- Рис. 3.15. Блок-схема лазерного дальномера, работающего в импульсном (а) и в непрерывном (б) режиме: 1 – электронный счетчик; 2 – видеоусилитель; 3 – фотоэлемент; 4 – вращающийся зеркальный отражатель (модулятор); 5 – рубиновый стержень; 6 – зеркало; 7 – фотоумножитель; 8 – фильтр; 9 – диафрагма; 10 – фазометр; 11 – фотодиод; 12 – полупроводниковый лазер 155 скания фильтра не превышает 1,5–10 Å. затем сигнал поступает на фотоэлектронный умножитель (детектор), усиливается и запускает счетчик. По числу импульсов, поступающих на счетчик за опреде- ленный промежуток времени, определяется расстояние до объекта. Лазерные дальномеры с импульсной модуляцией практически не могут измерять расстояние менее 3 м, так как промежуток времени между прямым и отраженным сигналами становится соизмеримым с длительностью излучаемого импульса. для измерения малых расстояний с высокой точностью исполь- зуются лазерные дальномеры, работающие в непрерывном режиме. Блок-схема такого дальномера приведена на рис. 3.15, б.Измере- ние расстояния производится на основе сравнения фаз модулирую- щих колебаний, соответствующих моменту излучения зондирую- щих сигналов и моменту прихода в приемное устройство локатора отраженных сигналов. отечественный геодезический дальномер Гд-314, например, предназначен для точного измерения расстоя- ний в пределах до 2 км [20]. Источником излучения у него является полупроводниковый диод с длиной волны 8600 Å, мощность излу- чения 0,5 мвт, точность измерения во всем диапазоне 2 см. Перейдем к рассмотрению акустических локационных систем. Акустическая локационная система для измерения малых расстоя- ний действует по тому же принципу, что и лазерная или радиолока- ционная, но в значительно более благоприятных условиях хрони- рования (измерение времени прихода отраженного импульса), по- скольку скорость распространения звуковых колебаний в воздухе Рис. 3.16. Блок-схема акустической локационной системы 156 всего лишь 330 м/с. Следовательно, такая система более пригодна для измерения малых расстояний. Генератор импульсов 1 (рис. 3.16) генерирует прямоугольные импульсы, возбуждающие генератор несущей частоты 2,звуко- вой или ультразвуковой. Импульсы несущей частоты с усилителя мощности 3 поступают на излучатель и цепь задержки 4,которая служит для задержки сигнала на время, равное длительности из- лучаемого импульса. Генератор 5 вырабатывает стробирующий импульс, во время которого могут прийти отраженные импульсы. отраженные сигналы, поступающие на избирательный усилитель 8,проходят через схему разрешения 9,детектор 10,формирователь 11 и затем поступают на счетчик 6. Измерение расстояний происходит по показаниям счетчика 6, который подсчитывает количество импульсов мультивибратора 7 за время распространения ультразвуковой волны. Из фазовых методов измерения расстояний широкое распростра- нение получили методы, основанные на измерении времени распро- странения ультразвуковой волны с применением непрерывных или амплитудно-модулированных ультразвуковых колебаний. Излуча- тель 1 посылает ультразвуковую волну узко направленным лучом. отразившись от препятствия, волна поступает на приемник 2,ко- торый преобразует принятые ультразвуковые колебания в напря- жение. Принятый сигнал усиливается селективным усилителем 3, поступает на фазовый детектор 4.Сюда же поступает напряжение с генератора 6.детектор вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу этих напряжений и, следова- тельно, измеряемому расстоянию. Напряжение с детектора посту- пает на измерительное устройство 5.Большой интерес представля- ют ультразвуковые дальномеры, работающие по фазовому методу и измеряющие расстояние от 0,2 до 2 м с погрешностью 2%. Метод разности фаз (рис. 3.17) позволяет повысить точность из- мерения расстояний. достоинства ультразвуковых локационных систем заключа- ются в возможности измерять малые расстояния. Их недостатки: сильное затухание ультразвуковых волн в газах, зависимость ско- рости распространения волн от свойств среды, невозможность ра- боты в вакууме, низкая по сравнению с лазерными и радиолокаци- онными системами разрешающая способность. Следует отметить, что сильное затухание ультразвуковых волн в газах несущественно сказывается при измерении малых расстояний (до 1 м), а различ- 157 ная скорость распространения волн может быть учтена специаль- ной схемой коррекции по скорости. Известны следующие методы сканирования: бескадровое непрерывно-построчное, покадровое, автономное, автономно- покадровое. Метод бескадрового непрерывно-построчного ска- нирования используется в тех случаях, когда объект, на котором установлена сканирующая система, движется с какой-то извест- ной скоростью относительно исследуемой поверхности, при этом построчное сканирование осуществляется в перпендикулярном на- правлении. этот метод удобно применять для локационной систе- мы, расположенной на рабочем органе манипулятора. в методе покадрового сканирования осуществляется многократ- ное сканирование одного и того же участка пространства, ограни- ченного кадром развертки, причем дополнительного перемещения сканирующей системы не происходит. Такой метод используется в большинстве промышленных и исследовательских сканирующих и телевизионных систем, когда вся интересующая нас информация размещается в пределах одного кадра. При автономном сканировании луч может совершать любые пе- ремещения по контролируемой поверхности (с ограничением по ка- дру и без него); возможна любая комбинация последовательностей и подробностей просмотра отдельных участков контролируемого пространства с любой разрешающей способностью. Такой метод, как правило, используется в самонастраивающихся и адаптивных сканирующих системах. в методе автономно-покадрового сканирования осуществляется сканирование ограниченного кадра, а сам кадр при этом может ав- тономно перемещаться по исследуемому объекту. этот метод при- Рис. 3.17. Блок-схема прибора для измерения расстояния методом разности фаз: 1 – генератор; 2 – измеритель; 3 – выделитель фазы; 4 – блок сравнения; 5 – индикатор; 6 – генератор стандартного сигнала 158 меняется, в основном, тогда, когда все участки поля, содержащие полезную информацию, не могут быть одновременно размещены в одном кадре. Метод автономно-покадрового сканирования в настоящее время получил наибольшее распространение. Сканирующие системы, ис- пользующие этот метод, по принципу действия можно разделить на оптико-механические, оптико-электрические, полупроводнико- вые, фотоэлектронные и квантомеханические. в настоящее время достаточно широкое распространение по- лучили оптико-механические устройства, осуществляющие ска- нирование с помощью вращающихся или подвижных элементов, которые позволяют направлять излучение последовательно на различные участки сканируемого пространства. Существенные не- достатки этого класса устройств заключаются в малом быстродей- ствии, в сложности конструкции и малой надежности их работы. К классу оптико-механических устройств непосредственно примы- кают волоконно-оптические устройства, обладающие большим бы- стродействием и простотой. Использование элементов волоконной оптики позволяет применить ряд новых принципов сканирования пространства, разделение изображения, изменение его формата, размеров и произвести ряд других преобразований. К оптико- электрическим сканирующим устройствам можно отнести скани- рующий лазер, ультразвуковой, дисперсионный и полупроводни- ковый сканаторы. На базе сканирующих устройств может быть построен топо- графический прибор, предназначенный для измерения рельефа и других особенностей местности вблизи робота. данные о характе- ристике местности снимаются в виде матрицы А = \а ij \, где каж- дый элемент а ij характеризует определенный элемент поверхно- сти. Если поверхность горизонтальная, то все а ij = 0. в противном случае элемент a ij равен высоте препятствия, соответствующего координатам (i, j). очевидно, элементы а ij могут принимать и от- рицательные значения (для участков понижения местности). Кро- ме того, топографический прибор позволяет регистрировать цвет и текстуру каждого элемента поверхности, записывая их в виде та- кой же матрицы. Принцип работы топографического прибора заключается в следу- ющем (рис. 3.18). Сканирующее устройство 2 развертывает луч от ис- точника 1 по исследуемой поверхности. Сопряженное сканирующее устройство 4 осуществляет слежение за световым пятном, которое 159 в исходном состоянии фокусируется с помощью объектива в центр фотопотенциометра 5.в случае ровной горизонтальной поверхности отраженный сфокусированный луч оказывается неподвижным от- носительно фотопотенциометра, и последний выдает сигнал, равный 0. Неровная поверхность вызывает пропорциональные смещения луча по фотопотенциометру, на выходе которого возникает сигнал Т, пропорциональный изменению рельефа местности по отношению к некоторому нулевому. Прямое и сопряженное сканирующие устрой- ства приводятся в действие от общего приводного двигателя 3.С него снимаются мгновенные значения углов сканирования β и α, опреде- ляющие величины i = f 1 ( α, β), j = f 2 ( α, β). При сканировании трещин, ям луч не всегда может достичь их дна. Поэтому возможны информационные потери, особенно на дальних участках поверхности, где угол между лучом и поверхно- стью мал. Прибор в принципе позволяет выяснить наличие таких участков местности, но для этого необходимо вместе с величиной у регистрировать величину ее производной, а также моменты про- падания луча. Существенную информацию несет и первая произво- дная яркости отраженного луча. И, наконец, одним из наиболее важных приборов, предназна- ченных для сбора информации о внешней среде, является теле- визионная камера (моно- или стереоскопическая), служащая ана- логом «глаза». Снабжение робота зрением чрезвычайно важная и в то же время сложная задача. Желательно, чтобы робот, обладаю- щий зрением, мог распознавать объекты реального внешнего мира, узнавать «знакомые» предметы, инструменты, автономно выпол- нять сборочные, строительные и другие работы. При этом следует иметь в виду, что снабжение робота зрением резко удорожает всю систему, но упрощает алгоритмы управления его поведением (при Рис. 3. 18. Блок-схема топографического прибора T 160 условии, что алгоритмы распознавания зрительных образов в ре- альном масштабе времени разработаны). основные трудности при использовании зрительного анализатора заключаются в обработке информации, поступающей от анализатора. эти вопросы будут рас- сматриваться ниже. Мы рассмотрели практически все типы датчиков, которыми необ- ходимо снабдить робота в наиболее общем случае. Естественно, что при разработке роботов-манипуляторов, предназначенных для ре- шения некоторого специального класса задач, следует особое внима- ние обратить на рациональный выбор сенсорных (чувствительных) устройств, входящих в информационную систему роботов. Рассмотрим один из возможных простейших вариантов разме- щения датчиков на рабочем органе манипулятора (рис. 3.19). в «су- ставах» рабочего органа располагаются датчики положения потен- Рис. 3.19. Зоны действия датчиков схвата 161 циометрического типа 9, 10, 12, 13, 16, 17,определяющие угловые положения звеньев, и датчики усилий 11, 14, 15,измеряющие по- лезные усилия в приводах звеньев. На внешней и внутренней поверх- ностях схвата располагаются так- тильные датчики 3, 8,регистриру- ющие соприкосновение объектов внешней среды с определенной ча- стью поверхности схвата. датчики ближнего обнаружения 1, 2, 5, 6 регистрируют объекты, располо- женные вблизи боковых поверхно- стей схвата. Фотометрические дат- чики 4,регистрирующие наличие объекта внутри схвата, и датчики 7, измеряющие силу сжатия схва- та, расположены на внутренней поверхности схвата. На рис. 3.20 показана кон- струкция схвата с расположен- ными на нем датчиками [17]. Так- тильные датчики 4, 9, 13, 14 – кон- тактного типа с жесткой рабочей поверхностью и порогом срабатывания 10 – 15 г. датчики 1, 3, 5, 7, 8, 11 контактного типа выполнены в виде «дверцы» с неподвижной осью. Порог чувствительности их около 30 г в средней части кон- тактируемой поверхности и зависит от места приложения усилия. датчики 2, 10, 15 фотометрического типа работают по принципу прерывания луча. Фотометрический датчик ближнего обнаруже- ния 6 производит измерение отраженного светового потока. Потен- циометрический силометрический датчик 12,расположенный на тяге привода пальцев схвата, выдает сигнал, пропорциональный усилию сжатия пальцев. Робот-манипулятор может быть как неподвижным, так и подвиж- ным, причем передвигаться он может как при помощи колес, так и при помощи «ног». К датчикам состояния шагающего устройства (число ног у шагающего устройства не менее двух) относятся: дат- чики положения звеньев, измеряющие угловые координаты органов перемещения; датчики усилий в приводах; датчики горизонта, из- меряющие угловые отклонения координат, связанных с платфор- Рис. 3.20. Внешний вид схвата, оснащенного датчиками 162 мой шагающего устройства, от координат, связанных с горизонтом (гировертикаль). К датчикам состояния внешней среды относятся: тактильные датчики, фиксирующие соприкосновение «стопы» орга- на перемещения с поверхностью; локационные датчики, измеряю- щие высоту платформы над поверхностью; локационные датчики, измеряющие высоту опорной части ноги над поверхностью. Итак, мы видим, что робот – это сложная система, снабженная большим количеством различного рода информационных устройств. для того чтобы целесообразно использовать информацию, получае- мую от датчиков, необходимо организовать систему обработки чув- ствительной информации. Структура этой системы (как и структура всего робота) построена по иерархическому принципу, причем, чем выше уровень обработки информации, тем меньше ее избыточность и тем более обобщенные характеристики передаются на следующие уровни. Следует иметь в виду, что обработанная информация посту- пает на разные уровни системы управления роботов. Так, например, информация о положении звеньев манипулятора обрабатывается системой, обладающей всего одним уровнем обработки, на выходе которого имеются сигналы, пропорциональные величинам углов между звеньями манипулятора. эта информация поступает в низ- шие уровни системы управления манипуляторов, поскольку она не- обходима прежде всего для управления движениями руки (как сиг- налы обратной связи о положении звеньев). |