/
Text
СЕНЗОРНИ
УСТРОЙСТВА ЗА РОБОТИ
Юлиям Маринов
Веселии Димитров
Поредица РОБОТОТЕХНИКА-
През 1982 г. в поредицата „Робототехника" ще
излезе от печат книгата „Хващащи механизми"
от С. Делиев и В. Наков.
Проф. д.т.н. инж. ЮЛИЯН П. МАРИНОВ
К-т.н. инж. ВЕСЕЛИИ Е. ДИМИТРОВ
СЕНЗОРНИ
УСТРОЙСТВА ЗА РОБОТА
ДЪРЖАВНО ИЗДАТЕЛСТВО „ТЕХНИКА'
СОФИЯ, 1982
УДК 62-52
В книгата се разглеждат съвременното сьстояние и основните
насоки при разработването на сензорните устройства за роботи.
Дват се основни сведения за тактилните, локационните и ви-
иаалните сензорни устройства. Излагат се перспективите за раз-
туие и алгоритмите за обработка на сензорна информация.
g) Юлиям Първов Марвнов, Веселии Ехило* Димиарав, 1982
е/о Jusautor, Sofia
62
съдържание
Увод............................................................. 6
Глава I. Видове сензорни устройства за роботи 9
Глава 2. Сензорни устройства за състояннето на работните сргани на
роботи ............ 17
2.1. Потенциометр ични датчици . 17
2.2. Индуктивна датчици 22
2.3. Инкрементални датчици ............................. 26
2.4. Датчици за измерване на скорост и ускорение ... 39
Глава 3. Тактилни сензорнн устройства. . . 49
3.1. Датчици с механично преместване на чувствителния еле-
мепт ................................................ .50
3.2. Датчици с преобразуване на силата в деформация на чув-
ствителния елемент ......................................58
3.3. Обработка на ицформацията от тактилните сензори ... 66
Глава 4. Локационни сензорви устройства 89
4.1. Акустични сензорни устройства . . . 89
4.2. Оптически сензорни устройства 91
4.3. Сензорни системи за възприемане и анализ на говорни сиг-
нал!! и команди ............................... . . . . 95
j, лава 5. Визуални сензорни устройства 113
5.1. Сканиращи оптико-електропни сензорни системи . . 114
5.2. Сензорни системи с телевизиопни камери . .120
5.3. Системи за измерване на разстоянне ................135
УВОД
Активного целенасочено взаимодействие на робота с реалното
околно пространство се осъществява въз основа на информация-
та за пространството и обектите, конто се намират в него, както
и за състоянието на самия робот и неговите изпълнителни меха-
низми. Видът и обемът на тази информация се определят от функ-
ционалното предназначение на робота, априорната неовределеност
на условията на работа, степента на автономност в поведението
на робота и други фактори.
Програмните промишлени робота от първо поколение работят
по предварнтелно зададена твърда програма и не могат да се при-
способяват към околната среда. За да може такъв робот да функ-
ционира правилно, одновременно с програмирането му трябва
да се определят параметрите на работното пространство: брой и
тип на обектите, размери и ориентация, синхронизиране с техно-
логичного обзавеждане п др. Освен това е необходима голяма
.. точност на възпроизвеждане на програмите за работа на робота и
обзавеждането. Отклоненията от програмата, както и непредви-
дените изменения в работната среда и условията на работа водят
пинаги до нарушаване на нормалната работа, повреди на маши-
ните, бракуване на готовата продукция и т. н. Робота от I поко-
ление не могат да се използуват в технологични процеси, конто
изискват голяма точност на възпроизвеждане на траекторията на
движение на работния орган на робота и конто предполагат нео-
пределеност на обстановката във времето, т. е. при работа с пред-
варительно неориентирани предмета; работа с обекти с изменящи
се форми и размери; манипулиране с крехки обекти, при което
е необходимо да се регулира усилието на хващача на робота и
•степента на приплъзването му.
Та кива са следните случаи:
заваряване по контур в затворен обем;
почпстване на заваръчни шевове и профилни повърхностп;
обработка на метали чрез коване;
вземане на детайли от движещ се конвейер;
подготовка на повърхностп за боядисване и нанасяне на бои и
лакови покрития;
механичнп монтажнп операции при производство™ на изделия
на фината механика, електрониката и др.
б
В никои случаи могат да се използуват специални приспособле-
ния — ориентиращи механизми, монтажни глави и др., но това
намалява универсалността на роботите и усложнява преминава-
нето към нова операция. Подобии решения са подходящи при ма-
сови производства. В дребносерийното производство, където се
налага честа пренастройка на обзавеждането за нова продукция,
при много точив монтажни операции и при необходимост за от-
читане на външните условия се използуват адаптивни роботи, снаб-
дени със сензорни устройства (от второ поколение). Основна зада-
ча при тяхното създаване е разработването на функционално пълен
комплект от унифицирани сензорни устройства, конто да могат
да се използуват с различии тппове промишлени роботи.
Всяко сензорно устройство се състои от датчик за възприемане
на съответната механична, физична или химична величина, кон-
то ще се контролнра, електронна част за преобразуване на инфор-
мацията от датчика във вид, удобен за използуване от управля-
ващата система на робота, и съответно програмно и математическо
осигуряване за обработка на информацията от сензора и изпол-
зуването й при управление™ на робота. За целите на адаптивно-
го управление на промишлени роботи в общия случай е необхо-
дима информация за механичните и физичните свойства на работ-
ната среда и обектите в нея, тяхната ориентация и местоположе-
ние, ориентацията и положенпето на работния орган на робота,
усилията в хващача и задвижването и др.
В настоящата книга авторите сн поставят за цел разглеждането
на най-разпространените видове сензорни устройства за роботи.
Всеки тип сензорно устройство се разглежда като единство от
три компонента: датчик, електронна схема за управление на ра-
ботата на датчика и преобразуване на информацията и алгорит-
мична част.
В Гл. 1 е разгледана класификацията на сензорните устрой-
ства за роботи по различии характеристики: по предназначение,
по разстоянието на задействуване, по типа на сигналите, конто
възприемат, и др.
В Гл. 2 се разглеждат сензорни устройства, конто се използу-
ват за определяне на състоянието на работайте органи и изпъл-
нителните механизми на роботи. Товаса устройства за определя-
не на положение™ на отделяйте степени на подвижност на робота,
динамичните параметри на изпълнителните механизми (скорост,
ускорение, момент), силометрични устройства за определяне на
силата на захващане, приплъзване и др.
Гл. 3 е посветена на тактилните сензорни устройства. Те се из-
ползуват за очувствяване на хващача и корпуса на роботите и са
7
едни от първите сензорни устройства, намерили приложение в
роботостроенето. Показани са никои нови тенденции за използуване
на информацията от тактилните сензори за управление на робо-
тите и за разпознаване на геометричните свойства на обекти.
В Гл. 4 се разглеждат локационните сензорни устройства, кон-
то за разлика от тактилните датчици се задействуват от разстоя-
ние и позволяват по-високи скорости на изпълненке на опера-
циите. В раздела за акустичните локационни сензори освен тра-
диционните ултразвукови устройства се обсъжда по-нататъшно-
то развитие на сензорните устройства за разпознаване на звуко-
ви и говорки сигнали за целите на управлението на робота.
В гл. 5 се разглеждат особено перспективните за развиткето на
робототехниката визуални сензорни устройства. Те се използуват
за анализ на работното пространство, за откриване и разпознаване
на обектите в него, за определяне на разстоянието до различии
точки и др.
Стремежът на авторите бе да покажат съвременното състояние
на приложение™ на сензорните устройства за робота, перспекти-
вите за развитие, новите типове сензори и алгоритмнте за обработ-
ка на сензорна информация като неотделима част от развитие™
на роботостроенето.
Авторите ще бъдат благодарни на всички писма със забележки,
мнения и препоръки, конто читателите могат да изпратят на адре-
са на ДИ „Техника" — София 1000, бул. „Рускп" 6.
Авторите
8
Глава 1
ВИДОВЕ СЕНЗОРНИ УСТРОЙСТВА ЗА РОБОТИ
За функционирането на всеки промишлен робот от второ поко-
ление е необходима разнообразна информация за механичните и
физико-химичните свойства на работната среда и отделните’обектм,
за тяхната ориентация и координати, за ориентацията и коорди-
натите на самия робот и неговите изпълнителни механизм!!, за
усилията, развивани от тях, и др.
Според предназначението си и по отношението им към окол-
ната среда и обектите в нея сензорните устройства за роботи се
разделят на три основни групп:
сензорни устройства, реагиращи на геометричните свойства на
обектите (измерватели на координати, информационни линии, ска-
ниращи локаторн и др.);
сензорни устройства, реагиращи на други физични свойства на
обектите (измерватели на скорост, сила, плътност, температура,
твърдост и др.);
сензорни устройства, реагиращи на химичните свойства на обек-
тите (определяне на химичния състав на обектите и работната
среда).
Информацията, която постника от различните сензорни устрой-
ства, се използува в системата за управление на робота за от-
криване, разпознаване на обектите и съставяне и допълване на
модела на работната среда, за управление на движение™ на ро-
бота и манипулатора му. Според функционалната си принадлеж-
ности сензорните устройства могат да се разделят на две групи:
сензори за определяне на свойствата на работната среда и обек-
тите, конто се намират в нея;
сензори за управление на двнжението на робота и неговите
изпълнителни органи.
Към първата трупа се отнасят устройства за откриване и опреде-
ляне на различии физико-химични свойства на работната среда,
включително датчици за измерване на параметрите на релефа,
специални признаци за откриване и разпознаване на обектн и
тяхното положение и ориентация спрямо робота и т. н.
Във втората трупа се включват различните датчици за обратна
връзка по положение, скорост и ускорение, датчици за измерва-
9
не на усилиям, конто възникват при взаимодействие на робота с
външната среда и обектите, датчици за допиране, прнплъзване и
др. Такова разделяне на сензорните устройства по функционално
предназначение е в известна степей условно. Ыапр. сензорни
устройства от първата трупа могат да се използуват за определя-
не на положението на робота в работного пространство и на хва-
щача по отношение на робота, т. е., като обратна връзка при
управление на движепието на робота. Основного предназначе-
ние на сензорнте от втората трупа е осигуряването на необходи-
мата информация за управление на роботите и манипулаторите,
а на първата — за определяю на свойствата на обектите и сре-
да та.
Сензорните устройства възприемат информацията на различии
разстояния от пейния източник. Според този признак сензорнте
могат да се разделят на: контактни (със свръхблизко действие),
за близко действие в работната зона на робота, с далечно действие
в работната зона и със свръхдалечно действие (извън работната
зона).
Контактните сензорни устройства се използуват за очувствя-
ване на хващачите на роботи и другите части на манипулаторите
и корпусите на роботи. Те определят момента на допир с обекти
от външната среда (тактилни сензорни устройства), измерват си-
лата, възникваща в мястото на взаимодействие, принлъзването на
обектите, измерват или установяват различии физически и хи-
мически свойства на средата. Контактните сензори се отличават
с проста техническа реализация и ниска цена както по отноше-
ние на изиолзувапите датчици, така и на схемите за управление и
обработка на сигналите от тях. Основните недостатъци на сензор-
ните устройства със свръхблизко действие са ограничението на
диначиката на управлението и преди всичко малкото бързодей-
ствие на процесите на управление на робота на всички етапи.
Сензорните устройства с близко действие осигуряват полу-
чаването на информация во безконтактен път. Към тях се отна-
сят локационппте акустичпи фотосензори на хващачите, изме-
рители на разстояние с малък радиус на действие, измерители на
плътността на почвата и др. Безконтактните сензори са техни-
чески г.о-сложни от контактните, ио позволяват задачите на ро-
бота да се изпълняват по-бързо, своевременно да се получава ин-
формацията за обектите и да се коригира движението на манипу-
лятора.
Сензорните устройства за далечно действие позволяват да се
получава информация за външната среда в обема на цялото ра-
бота» пространство на робота, а следователно — да се отчита из-
10
менението на ситуацията още на етапа на планиране на движе-
ние™ и дейстзията на робота. Напр. при получаване на дакните
за релефа на повърхността и наличието на обекти (препятствия)
в зоната на действие на робота може да се оптимизира траекто-
рията на движение до зададена точка от работното пространство.
Като правило сензорните устройства със свръхдалечно действие
се използуват при подвжните роботи по начин, подобен на из-
ползуването на сензорнте с далечно действие. Към този тип устрой-
ства се отнасят различии навигационни устройства, оптически и
телевизионни системи, локатори и др.
При контактните сензори механичною взаимодействие на датчи-
ка с обекта се превръща непосредствено в електрически сигнал.
При безконтактните устройства с дистанционно действие за по-
лучаване на необходимата информация се използуват специално
излъчвани сондиращи сигнала (оптически, радио-, звукови, лъчи
и т. н.) или естествените излъчвания насредата и на отделки обек-
ти в нея. По този показател се разли^ават активин и пасивни сен-
зорни устройства. Първите задължително включват предовател-
но устройство, конто излъчва първичен сигнал, и приемно устрой-
ство, коею регистрира преминалня през средата или отразен от
обект вторичен сигнал. Пасивните устройства използуват само
приемник, а ролята на излъчвател се изпълиява от самите обек-
ти. Такива сензори са по-компактнп, но са и по-тясно специа-
лизирани.
Освен разгледанкте дотук класификации на сензорните устрой-
ства могат да се носочат още начини за сравнение: например
устройства с насочено и със сканиращо действие според типа на
сигналите, конто използуват (цифрови и аналогови) и др.
Остен дитчиците за външна информация, конто са предназна-
чен!: за контрол на работна'а среда и обектите в нея, се използу-
ват н т. нар. датчици за вътрсшна информация — за контрол на
работата на самия робот. Те се включват към задвижващнте ме-
ханкзми на роботите.
Когато е определен методът за управление на робота, могат да
се изберат и необходимите типове датчици и сензорни устройства.
Разглеждан в най-общ вид, въпросът за разработка на датчици за
вътрешна информация може да се смята за разрешен въз основа
на съществуващите в други аиарати и устройства аналогични
средства. Докато сензорните устройства за външна информация
са специфично възникнал проблем в резултат на развитието на
роботостроенето и в тази насока предстоят най-задълбочени и
фундаментални изследвания и разработки. Съществуващите датчи-
ци за външна информация (положението, формата и други призна-
11
ци на обектите), с конто се снабдяват съвременните промишлени
робота, засега представляват най-прости контактни датчици, ултра-
звукови локатори и фотоелектронни преобразуватели.
Промишлените роботи се разработват в два основни варианта:
робота, работещи по предварително съставена програма;
роботи, извършващи анализ на околната среда и избиращи най-
подходящата програма за изпълнение на заданието.
Роботостроенето се насочва все повече към втория вариант.
В производството се налага възприемане и анализ на външна
информация, конто определи следващите действия на промишле-
ните роботи. Напр. при автоматичного зареждане на преси трябва
да се определи наличието на транспортирания детайл в определе-
но място. Положението на детайлите върху конвейерната лента,
по конто постъпват в работната зона на робота, се определи с фо-
тодатчици, микропревключватели или други устройства. При на-
рушаване на подаването на листови материали се използува спе-
циална блокировка, конто управлява вакуумния хващач на ро-
бота. С фотоелементи се открива прекъсването на влакното в авто-
матичните предачни машини.
Когато промишлените роботи не са снабдени със сензори за
външна информация, се използуват други начини за компенси-
рането й. Напр. с помощта на датчиците за положение на изпъл-
нителните механизми може да се съди косвено за състоянието на
хващача и манипулатора и възникващпте в тях усилия. Като се
има пред вид влиянието на ограничената разрешаваща способност
на датчиците и на страничните шумове, само с помощта на сензо-
рите за външна информация може да се осигури необходимата
точност, надеждност, гъвкавост и разнообразие на изпълнявани-
те операции.
Сензорните устройства за роботи трябва да отговарят на редица
специфична изисквания:
голяма точност и разрешаваща способност;
надеждност;
малки размери, защото датчиците се поставят върху хващача на
робота и не трябва да пречат на работата му;
малко тегло, за да не влияят на динамическите характеристики
на изпълнителните механизми, конто задвижват манипулатора;
висока степей на повторяемост на показанията.
Контактните датчици се използуват преди всичко за установя-
ване на момента на допиране на обекта от хващача на робота, за
определяне на усилието на натиск върху палците на хващача и
за определяне на приплъзване между обекта и грайферния меха-
низъм на манипулатора. Аналогично на човека, при манипулира-
12
не с обектите съвременните промишлени роботи трябва да могат
да определят конфигурацията и геометричните размери на обекта,
да регулират усилието на стискане, пропорционално на теглото
и здравината на обекта и др. Този вид взаимодействие се среща
в непосредствен вид при биотехническите системи за управление
на манипулатори, където операторът с помощта на сензорите има
възможност да възприема по обратен път противодействието на
обектите. При протезирането също се използуват механизми за
управление на силата на изкуствената ръка с помощта на про-
порционална обратна връзка, като по този начин се отстранява
възможността за повреда на ръката или предмета.
Друга голяма трупа сензорни устройства използуват като въз-
приемащ елемент безконтактни датчици: оптични, електромагнит-
ни, ултразвукови и др. Поради отсъствието на непосредствен до-
пир с обекта няма опасност от удар или лош контакт, което позво-
лява по-голяма скорост на реакция на системата за управление
в сравнение с контактните датчици.
Съществуват няколко основни типа безконтактни датчици:
Електромагнитни безконтактни датчици: безконтактни пре-
включватели, в конто се използува изменението на съпротивле-
нието на магнитната верига при преминаването на магнитния по-
ток през обекта; датчици-генератори, при конто изходният сигнал
се променя в резултат на изменението на импеданса на бобина под
влияние на обектите, датчици от мостов тип и др.
Изброените датчици са надеждни и здрави, но могат да взаимо-
действуват само с метал ни обекти. Освен това точността им се
влияе от размерите на обекта, неговите магнитни свойства и ско-
ростта му. Този вид датчици действуват на разстояние от някол-
ко mm до няколко ст. В сравнение с контактните датчици елек-
тромагнитните безконтактни датчици имат по-големи размери и
тегло. Разработват се варианти с намалени размери, конто се из-
ползуват изключително в случайте на работа с обекти, изработени
от магнитни материали.
Оптически датчици —- те използуват различии варианти на ре-
гистриране на светлинния поток, например пресичане на светли-
нен лъч от обекта или възприемане на отразена от обекта светли-
на. Източник на светлина са лампи с нажежена жичка, светодио-
ди, лазерни източници на светлина и др. Приемник на светлина-
та са фотоелементи, фотодиоди и фототранзистори и др. Основен
проблем приоптическитедатчициесрокътна работа и надеждност-
та на фоточувствителните и фотоизлъчващите елементи. По-голе-
ми перспективи имат лазерните източници, конто могат да се из-
13
ползуват за откриване и определяне на разстоянието до обекти,
отдалечени значително от робота.
Ултразвукови датчици — също представляват система от из-
лъчвател (предавател) и приемник на сигнали. Те имат известии
предимства пред оптическите датчици: могат да откриват про-
зрачна за светлината обекти, имат практически неограничен жи-
вот на излъчвателя, работата им не завися от осветеността на ра-
ботаете пространство, не се елияят от шумови смущения, прах,
пара и др., могат да работят и във водна среда, могат да се изпол-
зуват както за металяи, така и за неметални обекти. Основните
ограничения за по-широкото им приложение са по-малката точност
на определяне на положение™ на обектите (поради насоченост-
та на ултразвуковата вълна) и невъзможността за откриване на
обекти с малки размери (поради сравнително голямата дължина
на вълната).
Струйни датчици — отскоро в практиката заиочнаха да се из-
ползуват датчици, в конто струята въздух замества електрическия
ток. Те се прилагал за измерване на малки разстояння (т. нар.
въздушни микрометри). При използуване на въздушна струя мо-
гат да се изглерват разстоянвя, до 50 пъти по-големи от диаметъра
на струйния отвор. Чувствителността на струйните датчици може
да бъде по-голяма, отколкою на оптическите.
За да може да манипулира с различии предмета, роботът трябва
да има възможност за определяне на формата, размерите, тегло-
то и други характеристики на обектите. В противен случай меха-
низацията и автоматизация'™ на производство™ не могат да се
развиват до прогресивното заместване на човешкия труд с този
на промишлените роботи. Още сега има ред практически решения
за разпознаване на размерите и теплою на обектите въз основа
на разтварянето на хващача и използуването на контактам и тен-
зометрични датчици. По-сложея е проблемът за разпознаване на
формата на обектите, конто се намира все още на етапа на изелед-
ване и експерпмемтпране, а внедряването на такива методи е
въпрос на бъдещето. Тазп функция засега се осъществява главно
чрез устройства и системи за визуална информация. Правят се
опити за използуване на други датчици за външна информация
за решаване на този проблем — специално конструирани тактпл-
ни датчици (вж. гл. 3) или оптически безконтактни датчици. В
системите от типа „изкуствено око“ като датчик се използуват те-
левизионни камери от различии типове. Експериментални моде-
ли разпознават формата, положение™, посоката на движение и
цвета на определен клас обекти (обикновено с правилка геометрич-
на форма). Такива системи използуват като правило голяма ЕИМ
14
със сложно програмно осигуряване за преобразуване и обработ-
ка на сигналите от телсвизионните камери, за осъществяване на
процедурпте за разпознаване на обектите и управление на мани-
пулатора за действия с тях.
Задължително условие за работата на промишлените роботи е
точного изпълнение и повторение на технологичните операции,
конто те обслужват. Обикновено роботите се изграждат със серво-
системи с обратна връзка но положение, скорост, ускорение и др.
За тази цел датчиците за вътрешна информация определят линей-
ни и ъглови премествания на степените на подвижност на хваща-
ча, на платформата и на други възли на роботите, както и на си-
лите, възникващи в тях. Като датчици за вътрешна информация
се използуват жични потенциометри, инкрементални и кодови дат-
чици, селении, резолвери и др. В по-простите промишлени роботи
с позиционно и циклово управление с цел да се намали цената им
не се използува сервосистема за задвижване. При тях управление-
то се нзвършва на принципа „включено—изключено“ чрез предва-
рително установенн точки на позициониране. Като датчици за
вътрешна информация се използуват крайни изключвателп, без-
контактни Магнитки превключватели, фоторелета и др.
Датчиците за вътрешна информация се избнрат в зависимост от
метода за управление на промишлените роботи. Преди всичко се
определи типы на датчика — аналогов или цифров. След това се
анализират необходимата точност, надеждност, линейност на ха-
рактеристиката и т. н. Освен това съществуват редица изисква-
ния, на конто трябвадаотговарят датчицитеза вътрешна инфор-
мация'.
малки размери и проста конструкция с възможно по-малко до-
пълнителни устройства;
шумоустойчивост, т. е. възможност за работа в условия на елек-
трически шумове, изменения в захранването и др.;
устойчнвост към изменение на параметрите на работната среда:
температура, влажност, вибрации;
просто обслужване в условията на ограничен достъп до място-
то, където се монтират;
възможност за абсолютно отчитане на измерваната величина,
което намалява значително времето и сложността на обрабог-
ката на информацията от датчика;
— надеждност;
— ниска цена;
— точност и др.
Датчиците за положение най-често преобразуват линейното
или ъгловото преместване в електрически сигнали. Такива типо-
15
ве датчици са съпротивителните, индуктивните, капацитивните,
електромагнитните, фотоелектрическите. Най-характерни и най-
разпространени са:
1. Потенциометричните датчици: това са най-често съпроти-
вителни датчици, но могат да бъдат и от капацитивен или индук-
тивен тип. Те представляват електромеханични преобразуватели,
чийто изходен сигнал е произведение от входния сигнал на датчи-
ка и съответното линейно или ъглово преместване. Потенциомет-
ричните датчици за приложение в роботостроенето отговарят на
редица специфични изисквания (вж. гл. 2).
2. Индуктивна датчици: различии електромеханични преобра-
зуватели, като селсини, въртящи се трансформатори и резол-
вер и.
3. Генератора на импулси: всички видове цифрови датчици,
конто при всяко елементарно преместване изработват на изхода
си импулс, като използуват фотоелектрически или електромагни-
тен принцип. Обикновено те не дават абсолютната стойност на
измерваната величина, което е източник на допълнителни греш-
ки от въздействието на шумови сигнали върху схемите за обработ-
ка и натрупване на изработваните последователни импулси.
4. Кодови датчици: подобно на генераторите на импулси и те са
цифрови устройства, но дават абсолютната стойност на измер-
ваната величина. Изходната величина се получава непосредстве-
но кодирана в цифров вид. Такива са кодовите датчици от
четков, фотоелектрически и електромагнитен тип. Кодирането на
изходния сигнал може да бъде в двоичен или друг цифров код със
специални мерки за шумоустойчивост, напр. код на Грей. Кодо-
вите датчици с линейна характеристика и разрешаваща способ-
ност от порядъка на няколко pm са много подходящи за точки
сервомеханизма
Освен разгледаните датчици в сервосистемнте се използуват,
макар и по-ограничено, и други датчици: за интегриране на ско-
рост, Магнитки броячи, Магнитки барабани, индуктосини и др.
С развитието на роботостроенето съществуващите видове датчи-
ци за сензорните устройства на роботите се усъвършенствуват и
се създават нови типове датчици с подобрени качества.
I
I
16
Глава 2
СЕНЗОРНИ УСТРОЙСТВА ЗА СЪСТОЯНИЕТО НА РАБОТНИТЕ
ОРГАНЫ НА РОБОТИ
Състоянието на работайте органи на роботите (степените на сво-
бода и хващача) се измерва от сензорнте за обратна връзка по по-
ложение, скорост, ускорение и др., както и от сензорнте за из-
мерване на сили, възникващи при взаимодействие на робота с
външната среда. Определянето на положението и състоянието на
манипулатора във всеки момент от времето е необходимо условие
за управление на изпълнителните механизми, конто го задвижват.
Сензорните устройства за осъществяване на обратната връзка
по положение използуват различии видове датчици за измерване
на линейни и кръгови премествания. Електронните схеми за
преобразуване на информацията от тези датчици се разделят на
два основни типа: за преобразуване на информацията от анало-
гов в цифров вид и електронни схеми за прехвърляне на цифрово
кодирана информация към управляващата система на робота.
Към аналоговите датчици за обратна връзка по положение спа-
дат различните видове потенциометрични датчици, капацитивни
и индуктивни датчици. В някои съвременни промишлени роботи
се използуват вече цифрови датчици за положение. Те имат по-
голяма точност и повторяемост на показанията, предоставят не-
посредствен© подготвена информация, подходяща за обработка
от цифрови изчислителни средства, не изискват специална меха-
нична конструкция на робота за включването им към степените
на подвижноет, отличават се с висока механична устойчивост и
надеждност. По-голямата им цена се компенсира от по-простата
електронна схема на сензорното устройство и увеличената ефек-
тивност на работа.
2.1. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧНИ ДАТЧИЦИ
Това е най-разпространеният доскоро тип датчици за обратна
връзка по положение. Използува потенциометрично включване на
регулируем съпротивителен елемент с подходяща механична
конструкция. Потенциометричният датчик се включва най-често
2 Сензорни у-ва за роботи
17
като делител на напрежение с променлив коефициент на деление
(фиг. 2.1). Така той преобразува механичного нреместване на
плъзгача 2 на разстояние /лотобщия край по вход и изход 1. При
изменение на съпротивлението от 0 до Ro напрежението в изхода
се измени от 0 до Ей по закон,
зависещ от коефициента на про-
порционалност Rx/R0. При ли-
неен закон на изменение на съ-
противлението по отношение
на движението на плъзгача по-
тенциометр ичният датчик мо-
же да се използува в два ос-
новни случая:
1. Входната величина е линейно преместване. Следователно за
изменението на съпротивлението и изходното напрежение са в
сила зависимостите
=/ R
lmax
Е.
където с /гаах е означен максималният ход на плъзгача на потен-
циометричния датчик. На практика изменението на съпротивле-
нието не може да се извърши от 0 до Ro поради конструктивни
нзисквания, но големината на тази разлика по отношение на
максималната стойност R„ е пренебрежима и се отчита само при
настройката на сензорната система.
2. Входната величина е ъглово нреместване. За изменението
на съпротивлението и изходното напрежение се получава
а а
шах шах
където с а е означена текущата стойност на ъгъла на завъртаие>
отчетена спрямо изходното положение на въртящата се степей
на подвижност, а <хтах е максималната стойност на ъгъла на за-
въртане. Най-често агаах<360°, т. е. не се премннава многократно
през изходното положение в едка и съща посока. Този случай е
по-лесно реализуем технически, защото има по-проста комута-
ция с изводите на нотенцпометричпня датчик.
Когато потепциометричният датчик иредставлява реохорд, опъ-
нат по продължение на степента на подвижност, се постнга много
голяма точност и плавност на отчитане на стойността на съпро-
тивлението. За линейно изпълнение чувствителността е от поря-
дъка на (1-^-5) . 10“2 mm придвижване, а за ъглови премества-
ния — стотни от градуса. Това се дължи на непрекъснатото кон-
18
тактуване но цялата дължина на реохорда. Но за осигуряване на
якост и нзносоустойчивост той не може да бъде много тънък. При
зададена дължина на потенциометричния датчик максималната
стойност на съпротивлението на датчика /\„ не надминава някол-
ко десетки ома. Малките стоимости на Ro го правят съизмеримо с
непостоянного преходно съпротивление на плъзгащия се кон-
такт и освен това натоварват източника на стабилизирано постоян-
но напрежение Ео. Затова реохордите се използуват само при ни-
ски стойности на напрежението Еп, но това означава и малка
амплитуда на изходния сигнал Ux (или U0).
За увеличаване на стойността на Еп се използуват навити жич-
ни потенциометри. Те могат да бъдат също с праволинейно или
кръгово движение на плъзгача в зависимост от входната величи-
на — линейно или кръгово преместване. Проводникът може да бъ-
де със значително по-малка дебелина, което увеличава чувстви-
телността на датчика. Навиването се извършва върху изолацион-
но тяло с подходяще сечение и форма, а конструкцията се допъл-
ва с различии механични елементи за осигуряване на необходи-
мата точност на позициониране, контактуване и предаване на дви-
жение™ на плъзгача. На фиг. 2.2 е показана едва конструкция
на потенциометричен датчик от линеен тип. Изпълнителната гла-
ва 1 се движи от двигател 2 и водещ винт 3, евързан с главата чрез
неподвижна гайка. По този начин въртеливото движение на дви-
гателя се преобразува в линейно преместване на главата. Върху
второго изолационно тяло, успоредно на водещата шина 4, е на-
вит потенциометричният датчик 5. Чрез плъзгач 6, закрепен не-
подвижно за главата, се осъществява контактът с датчика и се
фиг. 2-2
отвежда стойността на Ux, пропорционална на линейного пре-
местване 1Х (съответно на
Реализирането на такава конструкция за въртящи се степени
па подвижност е сравнително по-лесно, защото не се налага пре-
19
образуването на кръговото движение на двигателя. Достатъчно
е да се закрепи плъзгачът на потенциометричния датчик към оста
на изпълнителния механизъм, за да се осъществи необходимата
механична връзка. За повишаване на точността на отчитане при
кръгово изпълнение се използуват и многооборотни високоточни
потенциометрични датчици, конто се свързват към изпълнител-
ната ос чрез предавка (1:5, 1 : 10 и др.).
Съществуват и потенциометри, при конто като съпротивителен
елемент се използува тънък слой от твърд износоустойчив гра-
фит или металокерамична смес върху пластмасова основа (все
още в процес на усъвършенствуване).
Ако съпротивлението на потенциометричния датчик е неравно-
мерно по дължината му (неравномерна дебелина на съпротивител-
ния слой или неравномерно навиване на проводника), в общия слу-
чай стойността на Rx ще се измени по иякакъв закон:
(2.1) Rx=RJ^) = Rof(ji),
където фуикцията /(л) е нормализирана в интервала от 0 до 1т.
За изходното’ напрежение се получава аналогична зависимост:
(2.2) Ux=Eof(l^ = Eo.f(n).
Фуикцията /(л) в идеалния случай на линеен датчик има стой-
ност п, но може да бъде и л2, л3, sin (л -y-j, sin2 (л £ j, 1g (10 л)
и др., но винаги 0</(л)<1. Понякога / (л) може да бъде зада-
дена графично или таблично.
Зависимостите (2.1) и (2.2) са точни само при отсъствие на то-
вар на изхода на потенциометъра (празен ход), т. е. Rt-^co или
RT^>Rr. Второго се отнася за случайте, когато сензорното устрой-
ство включва високоомен електронен усилвател. Ако това не е
така, товарного съпротивление оказва шунтиращо действие върху
потенциометричния датчик. На фиг. 2.3 е показана еквивалентна-
та схема за случая, когато стойността на R? е съизмерима със
стойността на Ro. В такава верига условията са различии от тез и
в идеалната верига, когато RT->-oo. В този случай изходното на-
прежение
/?х
(2.3) UX=EO-------Rx+Rrx-r •
20
Като се замести стойността на Rx, определена в (2.1), се полу-
чана преобразувателната функция на потенциометричния датчик;
(2 4) U =----------------------
Фиг. 2-3
Фиг. 2-4
,, 0 i
където л= р, се нарича ксед шшент
лучената зависимее! е нелинейна дори и
тенциометър, за конто /(п)- п:
па нстсварване. По-
за идеален линеен по-
(2.5)
UX=EO
п
1+А'. п (1 —п)
Нелинейността на U,. във формула (2.5) завися от големината
на коефициента на натоварване К. На фиг. 2.4 са показани раз-
личии криви на изменение на нормираната спрямо Еп стойност на
U х за различии стойности на коефициента К. При К О (7?т-^-со),
характеристиката на преобразуване съвпада с теоретичната ха-
рактеристика на ненатоварен линеен потенциометър. При всич-
ки останали случаи, когато К^=0, характеристиката съвпада с
идеалната крива f(ri) само в две течки — п -0 и п =1, и се отли-
чава от нея повече при по-голяма стойност на 1\.
Абсолютиста грешка по напрежвние &LL се получава като раз-
лика между напрежението при празен ход Ux0 и напрежението
од товар U х при едко и също положение на плъзгача:
(2.6) ДПл=Пл0-Пд.
По-важен параметър за практиката е итнисителнипиг грешка
по напрежение, която се дефинира като отношение на абсолютна-
21
та грешка към текущата стойност на изходното напрежение при
празен ход. Относителната грешка има максимална стойност при
п=0,5. Когато влиянието на не може да бъде избегнато, ли-
нейността на потенциометричния датчик може да се възстанови
чрез предварително коригиране на преобразувателната функция
по такъв начин, че да се компенсират измененията в изходното
напрежение.
2.2. ИНДУКТИВНИ ДАТЧИЦИ
За измерване на линейни иремествания се използува нонякога
изменение™ на индуктивности на соленоид чрез придвижване на
феромагнитна сърцевина в магнитного му иоле (фиг. 2.5). Соле-
ноидният преобразувател се състои от бобина 1 с дължина I и
среден. радиус г, в отвора на която се плъзга цнлпндричната фе-
ромагнитна котва 2 с радиус г0. Индуктивността на соленоида за-
вися от дължината 1Х на вкараната вътре в бобината част от сър-
цевината. Точного аналитично изследване на такъв датчик е трудна
задача, защото конфигурацията на магнитния поток е със слож-
на геометрия. Поради това изводите на никоя соотношения са
свързани в много оиростяващи предиоставки и имат предимно
ориентировъчен характер.
За бобина с Г^>ги индуктивността се определи от израза
(2.7) f ,
където w е броят навивки на соленоида. Като се отчете наличието
на сърцевнната, индуктивността на датчика във функция от дъл-
бочината на потапянето й 1Х ще бъде
22
(2.8) L^|/./4(|i,+ lK4
Относителната чувствителност на индуктивния преобразува-
тел е толкова по-голяма, кол кото отношенията 1/1х и г/г0 са no-
близки до единица и колкото магнитната проницаемост рл е по-
голяма.
Предимство па соленопдните преобразуватели е широкият обхват
на измерваните премествания. Фирмата AEG (ФРГ) произвежда
такива преобразуватели с обхват 50-н-2000 mm. Котвата им е из-
работена от мека стомана и има диаметър 3 mm. За постигане на
добра линейност се подбира подходящ магнитен режим. За тем-
пературка компенсация на бобината се изработва допълнителна
бифилярна бобина със същото съпротивление както основната.
Диете бобини се включват в съседните рамена на мост, захранван
с променливо напрежение с честота fo=5O kHz.
Индуктивните преобразуватели обаче имат ред съществени не-
достатъци, конто ограничават приложението им, напр. ниската
чувствителност по отношение на входната величина, влиянието
на смущаващи магнитии полета или близки Магнитки материали
(понеже основният магнитен поток на датчика се затваря през
въздуха). За да се постигне необходимата индуктивност на боби-
ната, е необходим по-голям брой навивки, което увеличава тем-
пературната нестабплност на активною съпротивление на индук-
тивния преобразувател.
Формата на бобината и начинът на подреждане на навивките й
определят характера на полето на разсейване, а следователно —
:нда на характеристиката Lx(lx). Качествата на преобразувате-
ля зависят твърде много от точността и качеството на изработва-
не на бобината. Диференциалните соленоидни преобразуватели,
конто използуват компенсационна бобина, притежават определе-
на взаимна индуктивност, конто е различна в зависимост от на-
чина на включване на бобините и в общия случай намалява чув-
ствнтелността на индуктивния линеен датчик и създава нежелани
фазови изкривявяния.
В практиката са намерили най-голямо приложение индуктив-
ншпе плунжерни преобразуватели с външен магнитопровод във
вид на цилиндър около бобината. В този случай няма загуби от
разсейване и се ностига най-голяма чувствителност.
На фиг. 2.6 е показана диференциалната схема на включване на
линеен индуктивен преобразувател. Двете бобини Бг и Б2 се мон-
тират във вътрешността на тръба от меко желязо, което служи
като магнитопровод, концентриращ магнитною поле по надлъж-
ната ос на индуктивния датчик. В двата края и в средата се по-
23
ставят срязани феромагнитни шайби за разпределяне на вътреш-
ния магнитен поток на бобината. Подвижната котва също е из-
работена от меко желязо. Външният кожух и вътрешннте шайби
се срязват надлъжно, за да се избегнат активните загуби^от вихро-
Фиг. 2-6
ви токове в тях. Бобините са включени в съседните рамена на про-
менливотоковия мост, образуван от Z>t, Б., и резисторите /?, и
Резисторът R3 и тримерът служат за симетриране на моста.
Единият диагонал на моста се захранва от стабилно променливо
напрежение с честота 5 kHz. Във втория диагонал (измерителния)
е включен усилвател У, който служи като буферно стъпало меж-
ду моста и следващата електронна система за обработка на инфор-
мацията от датчика. В изхода на усилвателя се включва изпра-
вител.ча схема Д и аналогово-цифров преобразувател АЦП, кой-
то превръща напрежението на разсъгласуване на моста, пропор-
ционално на преместването Б1Х, в цифров код на позицията на
съответната линейна степей на свобода X на робота.
Плунжерните преобразуватели с цилиндрична сърцевина са поч-
ти нечувствителни към външни магнитни полета и механични
въздействия, имат достатъчно стабилна преобразувателна харак-
теристика. За да се намали триенето между котвата и стените на
канала, в който тя се пльзга, се нанася тънкослойно пластма-
сово покритие. Индуктивните преобразуватели от този тип се про-
извеждат като стандартни елементи с максимален ход от 1 шт до
250 тт. Чувствителността им е от порядъка на 0,l-^l pm. Това
позволява включването на предавка с голямо предавателно отно-
шение, за да може да се покрие необходимого линейно премества-
не на изпълнителните механизми на робота и да се съгласува с
24
възможностите на датчика (до 250 mm), без да се намалязз точ-
ността на измерване на положението.
Друг вид индуктивна преобразуватели са датчиците с прэие I-
ливо реактивно съпротивление с намотка накъсо. На фиг/2.7а е
показана конструкцията на такъв преобразувател. Той се състои
от бобина Б}, обхваната от свързана накъсо намотка Бг, изпъл-
нена като коаксиален медей или алуминиев цилиндър, който може
да се придвижва надлъжно по оста. Счита се, че преобразувате-
лите с намотка накъсо са най-ефективни по отношение на изпол -
зуването на възникващите вихрови токове. На фиг. 2.76 (екви-
валентната схема на двете бобини) е показано наличието на две
магнитно свързани индуктивности Бг и L2, включени в две отдел-
яй електрически вериги.
Налице е смесена трансформаторно-индуктивна врьзка между
двете бобини. Еквивалентната иядуктивност на иреээразузателя е
(2.9) Le=Li(l-fc2),
където k е коефнциент на врьзка между двете бобини, който се
определи от геометрнчните размери на бээиыяге (дьлжина и ра-
диус):
(2.Ю) =
r2 I И
След като се замести стойността на k (2.10) в (2.9), се пэлучава
окончателният израз за еквивалентната индуктивност на преобрг'
зувателя:
(2.11) V ^.1,
| \ r2 I ‘1 j
25
т. е. линейна зависимост между 1Х и £е-
Преобразувателите с нсмотка накъсо имат сходни характери-
стики с плунжерните индуктивни датчици. При оразмеряването
на датчиците с намотка накъсо се търси компромисно решение меж-
ду линейност и чувствителност. Най-голяма чувствителпост се
получава при дължина на медния цилиндър Z3=l,2 llt а макси-
мален линеен обхват — при съотношение 12 1.5 1г.
Сьщността на принципа на намотката накъсо не се измени,
ако медният цилиндър се постави вътре в основната бобина. Кор-
пусът и нанравляващият щифт от феромагнитен материал слу-
жат за магнитопровод. При включване на такъв преобразува-
тел в едното рамо на мостова схема, захранвана с нап-
режение с честота 8 kHz, се постига обхват на измерваното
преместване Он-100 mm при 1—3% нелинейност. Модификация-
та с вътрешно монтиран цилиндър може да се реализира не като
пръетен, а като феромагнитен цилиндър-плунжер. Конструктив-
но се увеличена siриликата с плунжерните преобразуватели, въпре-
ки че принципът на действие на двата типа индуктивни датчици
е различен и при навлизане на плунжера в единиц случай индук-
тивности се увелпчава, а в другия — намалява.
2.3. ИМКРЕМЕНТАЛНИ ДАТЧИЦИ
Систе.мите за управление на съвременните промишлени роботи
от второ поколение използуват изключително цнфрова изчисли-
телна техника за обработка на информацията, за програмиране
на действията на роботите и за управление на изпълнителните
им механизми. Тази елементиа база изисква входната и изходна-
та информация да бъде в диксретиа (цифрова) форма. От друга
страна, информацията за работного пространство и за състоя-
пието на работайте органи на роботите има аналогов характер.
Следовагел но използуваните датчици за преобразуване на про-
странствените движения и на изображенията в работното про-
странство на робота е подходяще да бъдат от аналоговоцифров
тип, като преобразуват непосредствено входната аналогова ве-
личина в цифров код. Аналогово-цифровите датчици за преобра-
зуване на линейни и ъглови параметри се изграждат на фотоелек-
трически принцип. Това са т. нар. кодови и инкрементални дат-
чици. Те се отличават с много добри характеристики: голяма точ-
ност на преобразуване, бързодействпе, повторяемост, надеждност,
задоволителна разрешаваща способност, малко тегло и раз-
мери и др.
26
Във фотоелектрическите преобразуватели на пространствени
координата се използуват два основни метода на преобразуване:
— последователно отчитане на единични премествания: инкре-
ментални датчици;
— отчитане на ъглово или линейно преместване с кодова ма-
ска: кодови датчици.
Фиг. 2-8
Фотоелектрическите преобразуватели използуват моаровия
ефект. Той представлява сг.тнческо явление, което възниква при
налагане и пресичаме на две растерови решетки с различна конфи-
гурация на черни и бели ивици, в резултат на което се наблюда-
ват т. нар. моарови фигура. На фиг. 2.8 са показани два типа ком-
бинационна моарови ивици, възн икващи при припокриването на
относително движещи се едка спрямо друга успоредни растеро-
ви решетки. На фиг. 2.8с движението е успоредно, а на фиг. 2.86
решетките се движат под малък ъгъл една спрямо друга. По ти-
па на моаровите ивици може да се индентифицира начинът на дви-
жение на решетките. На фиг. 2.9 са показани аналогични комби-
национни моарови ивици при кръгови радиални растерови решет-
ки. На фиг. 2.9(7 моаровите фигури са резултат от въртенето на
две еднакви кръгови решетки с о гместени един спрямо друг цент-
рове на въртенето. Бторкят пример се отнася до взаимното вър-
27
фиг. 2-9
28
тене на две решетки с различна стъпка на ивиците в тях (фиг. 2.9 б),
а в третий пример една от двете е с наклонени линейни ивици към
г) S)
Ж) з) и
Фиг. 2-10
Типични растерови решетки, конто се използуват във фото-
електрическите преобразуватели, са показани на фиг. 2.10. Ши-
рочината на черните и белите ивици е означена съответно с букви
а и в, а стъпката на решетката — с ж, като w=^a-\-b. Първите три
типа решетки (фиг. 2.10с; б, в) се използуват в преобразувателите
за линейни премествания, а всички останали — в преобразува-
телите за ъглови премествания.
Нека едната растерова решетка е неподвижна, а другата се
движи в собствената си равнина успоредно на първата. Наблюда-
29
ваните в този случай моарови ивици също се движат, като броят
на минаващите през конто и да е точка от растрового поле светли
ивици е равен (или пропорционален) на броя на преминалите над
тази точка щрихи от движещата се решетка. Следователно, ако
Фиг. 2-11
подвижната решетка е поставена върху детайла или манипулато-
ра, чиито линейни премествания се измерват, с помощта на двой-
ка — фоточувствителен елемент (фототранзистор или фотодиод) и
източник на светлина, разположен от другата страна на двете
решетки, могат да се броят преминаващите светли ивици (фиг. 2.11)
Фоточувствителния елемент 2 изработва в изхода си импулс при
всяка светла ивип.а, получена при преминаването на светлина-
та, излъчвана от източника / през съвпадналите бели полета на
неподвижната решетка 3 и движещата се решетка 4. Този импулс
се усилва и формира от усилвател У п се натрупва в брояча на
импулси БР. От паралелните изходи на брояча във всеки момент
може да се прочете кодът на измерваната координата X, пропор-
ционална на броя на импулсите. Растеровото измерване осъще-
ствява мащабно преобразуване на ъгловите и линейпите премест-
вания от неголеми премествания на измерителната подвижна решет-
ка в значително по-големи премествания на моаровите ивици, на
което се дължи голямата разделителна способност на фотоелек-
трическите датчици.
Инкременталният датчик преобразува аналоговата величина на
пространственото движение (ъглово или линейно преместване) в
цифрова величина, като за всяко елеменгарно малко премества-
не w на измерителния подвижен растер изработва на изхода си
един или повече електрически импулси. Линейните инкрементал-
ни датчици използуват плоско паралелни растерови решетки от
видовете, показани на фиг. 2.10а, б, в. На фиг. 2.12 е показано
устройството на линеен инкрементален датчик. Той се състои от
индикаторна подвижна глава 1, конто се закрепва върху подвиж-
30
ната част на дадена линейна степей на подвижност на робота,
и измерителен растер 5 във вид на специално изработена линия,
конто се закрепва върху неподвижната част на степента на под-
вижност, така че индикаторната глава да се плъзга близо над
Фиг. 2-12
повърхността на линията. Върху измерителната линия са нанесе-
ни линиите на растеровата решетка със стьпка ^=1 ч-10 pm, като
прозрачните и непрозрачните ивици са обикновено с еднаква ши-
рина (а -Ь). Индикаторната глава се състои от светлинен източ-
ник 2, фокусираща оптическа система 3 и индикаторен растер 4.
Индикаторният растер е с наклонен растеров щрих със същата
стъпка, както стъпката на измервателната линия. Индикатор -
ната глава включва и фотонреобразувателен блок 6, съставен о т
четири фототранзистора ФТ^-^ФТ^ Възможни са различии ва-
рианти на изпълнение на линейния инкрементален датчик: с под-
вижна глава и неподвижна измерителна линия, с неподвижна
глава и подвижна измерителна линия, с проходна светлина при
прозрачна измерителна линия (директни инкрементални датчици)
и с отразена светлина при непрозрачна линия, изработена от спе-
циална метална справ с малък коефициент на температурно раз-
ширение (индиректни инкрементални датчици). Стъпката на ра-
стера определи в значителна степей разделителната способност на
датчика. Растеровите решетки се изработват по специални методи,
конто осигуряват равномерност на щриха. Един от най-реномира-
ните производители на инкрементални датчици е „Карл Цайс —
Йена" (ГДР). Линейните инкрементални датчици тип IAL и рота-
ционните инкрементални датчици тип IGR на тази фирма за опти-
ка и фина механика са известии в много страни. У нас от някол-
ко години се произвеждат инкрементални фотопреобразуватели от
типа ФРП в Габрово. Нафиг. 2.1 За е показана конструкция та и
31
размерите на ротационен инкрементален датчик тип IGR с вгра-
дена електронна част за формиране и обработка на импулсите, а
на фиг. 2.136 —оптическата част на такъв датчик. Тя се състои
от неподвижна 1 и подвижна растерова решетка 2, източник на
фиг. 2-13
светлина 3 (електрическа крушка) и бтэк 4 от четири фэтопреобра-
зувателя Ф7\ + Ф1\. За да се осигури отчитането на посоката на
движение на подвижна та решетка, съответно на степента на под-
вижност, към конто тя е свързана, трябва да се изработват два
синхронии сигнала, дефазирани на фаза л/4 един от друг. Това
се постига с разместване на два от фототранзисторите на фото-
преобразувателния блок на разстояние пу/4 един от друг. За да се
формират сигнал и, отместени един от друг на фаза л/2, всеки от
горните фототранзистори се дублира на разстояние w/2 с още
един фототранзистор. Фототранзисторите се включват в балансна
схема по двойки: ФТг с Ф1\ и ФТ3 с ФТ4. По този начин автома-
тично се компенсира дрейфът на постоянната съставка, предизви-
кан от температурни изменения, от изменение в силата на свете-
не на източника и др. Освен това се гремахва постоянната състав-
ка на изходните импулси и се позишава устойчивостта срещу сму-
щения за сметка на ефективното синфазно подтискане и хистере-
зиса на използувания за формиране на импулсите диференциален
компаратор. Чрез подходящ подбор на растеровата решетка и фо-
топреобразувателния блок може да се получи синусоидална форма
на сигналите, снемани от двете двойки транзистор’! (фиг. 2.14).
На времедиаграмата са показани двата сигнала U12 л U3i, из.
работвани от двойките транзистори, и резултатът от обработка -
та на тези сигнали zx, zt и z2, z2. В зависимост от посоката на дви-
жение на растеровата решетка на датчика се получават две се-
32
рии правоъгълни импулси, съвместими с ТТЛ, и с фазово отме-
стване +90° и —90° zx и z2 и техните инверсии стойности с фаза
180° zY и Zg. Знакът на дефазирането между zL и z2, съответно меж-
ду гг и z2, еднозначно определи посоката на движение на рас-
фиг. 2-14
теровата решетка по отношение на двете двойки фототранзис-
тори.
Съществуват различии модификации на инкременталните дат-
чици в зависимост от броя на импулсите (респ. броя на ивиците в
решетките), конто се изработват за едно пълно завъртане на ре-
шетката на ротационните датчици (250, 500, 600, 625, 635, 800,
960, 1000, 1024, 1270, 1500,2000,2500 импулса за едно пълно за-
въртане) и честотата на следване на импулсите — по-малка от
100 kHz (определи се от скоростта на съответната степей на под-
вижност) .
Инкременталните датчици се използуват широко в системите
за позициониране, в металообработващи машини, за обратна връз-
ка по положение в промишлените роботи, в измерителни уреди за
съответни физически величини (ъглови координата, ъглови скоро-
сти и ъглови ускорении и техните линейни аналози), за преобра-
зуване на аналогови сигнали в цифрови и др.
3 Сензорни у-ва за роботи
33
Фиг. 2-15
у+5/
Фиг. 2-16
34
35
На фиг. 2.15 е показана блоковата схема на трикоординатна си-
стема за позициониране. Всекиот трите канала се състои от инкре-
ментален датчик, схема за преобразуване, реверсивен регистър с
определена дължина Р, и схемн И за прехвърляне на информация-
та от регистъра към магистралата за данни. Захранващият из-
точник е общ за трите канала. Системата включва две линейно пре-
местващи се степени на свобода, в конто се използуват линейни
инкрементални датчици ЛИД^ и ЛИД2 и една ротационна сте-
лен с включен ротационен инкрементален датчик РИДХ. На
фиг. 2.16 е показана принципната схема на един канал. На входо-
вете гг и z2 се подават импулсите, изработвани от инкременталния
датчик. Схемата за преобразуване се състои от три скъсителя на
импулси, състоящи се от по две двувходови НЕ-И ТТЛ схеми,
диод и кондензатор (Д1СЪ Д2С2, Д3С3), четири инвертора и един
тригер за посоката на движение. Схемата за преобразуване опре-
дели знака на фазата между сигналите zx и z2 и изработва импулси
за запис в брояча, състоящ се от последователно свързани ТТЛ ИС
74193 (универсален 4-битов двоичен брояч). При подаване на им-
пулси на вход -рТ броячът работа в режим на сумиране, а при
подаване на импулси на вход —Т — в режим на изваждане. Вхо-
ды- за начално установяване служи за нулиране на регистъра в
точката, дефинирана като изходно положение на съответната ос
на движение. След този момент в брояча се съдържа винаги абсо-
лютната стойност на положението на датчика, кодирана в двои-
чен вид. Тази стойност е достъпна за цифровото програмно упра-
вляващо устройство на робота по вход „Чешене" (фиг. 2.16).
Действието на схемата за управление и преобразуване на инфор-
мацията от оптическите инкрементални датчици може да се илю-
стрира с времедиаграмата на процеса. На фиг. 2.17 е показана
времедиаграмата при въртене (или преместване) на инкрементал-
ния датчик в посока на нарастване на координатата, която се
приема условно при проектирането на робота. По предния фронт
на импулсите от поредицата z2 се извършва нулиране на тригера
за посоката по вход R. По предния фронт на импулсите от поре-
дицата zx се записва 1 в тригера по вход 'Г, но при условие, че по-
редицата z2 изпреварва на +90° поредицата zY. Тогава по зад-
ний фронт на импулсите от поредицата z2 (предния фронт на z2) се
изработват тактови импулси, конто се подават на входа -\-Т на
регистъра. При препълване на първите4 бита (след всеки 16 импул-
са от датчика) се изработва един импулс за пренос -\-Пр (—Пр)
към следващите 4 бита в регистъра. Той от своя страна изработва
такъв импулс на 256 импулса от датчика (подаванп в една и съща
посока) и т. н.
36
На фиг. 2.18 е показана времедиаграмата на работа на схе-
мата при въртене на инкременталния датчик в посока на намаля-
ване на координатата. В този случай тригерът за посоката остава
в състояние 0 и импулси за броене се изработват на вход —7' на
регистъра.
фиг. 2-17
Съществуват различии възможности за използуване на реги-
стъра, а оТтук и на типа на координатната система на отчитане.
Напр., ако се извършва начално установяване в една от крайните
точки на движение, в регистъра ще се съдържа винаги големина-
та на координатата без знак. Ако началното установяване се
извършва във вътрешна точка, най-старшият бит на брояча ще се
пзползува като знаков, а стойностите ще дефинират координата-
га с нейния знак (двупосочна координатна система по съответ-
иата ос на движение). Максималната стойност, която може да се
нзмерва с инкременталния датчик, зависи от типа на използу-
37
вания датчик, т. е. броят импулси, конто се изработват за едно
завъртане на решетката на датчика, когато той е от ротационен
тип; разрядността на регистъра и предавателното отношение
между изпълните лния механизъм и ннкременталния датчик.
Нека например е избран датчик от ротационен тип IGR-1024
конто изработва 1024 импулса за едно завъртане. При конструк-
тивно избрано предавателно отношение 102,4 mm за едно за-
въртане следва, че на всеки 0,1 mm ще се изработва по един им-
пулс към регистъра в съответната иосока Съответствието между
Фиг. 2-18
дължината на регистъра и максималната измервана стойност н а
координатата при отчитане без знак ще бъде:
12 бита—409,6 mm («0,4 т);
14 бита — 1638,4 ram («1,64 mm);
16 бита — 65553,6 mm («6,55 mm) и т. н.
38
Тези стойкости се пслучават при точност на измерването ±0,05
лип (половината на кванта на инкременталния датчик).
Така получената информация от инкременталните датчици може
да се използува според тика на управляващата система на ро-
бота. Непосредственото използуване на стойностите в регистри-
те в произволни моменти от времето е типично за позиционната
•обратна връзка, където е необходима стойността на линейната
координата в mm или на кръговото преместване в ъглови гра-
дуси. Стробирането на регистрите в точно определена моменти след
определен интервал от време може да се използува от управлява-
щата система на робота за изчисляване на скоростта и ускоре-
ние™ на изпълнителните маханизми като отношение на премест-
ване за единица време (скорост на движение в m/s и ускорение в
m/s2).
2.4. ДАТЧИЦИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА СКОРОСТ И УСКОРЕНИЕ
За управление на изпълнителните механизми на промишлените
роботи се използуват различии задвижващи елементи: пневма-
тични, хидравлични, постояннотокови двигатели и комбинации от
тях. Във всички случаи, когато се изисква голяма скорост на
изпълнение на елементарните движения при точно позиционира-
не в дадена точка, задвижващите елементи се включват в си-
стема за управление с елементи на обратна връзка. На фиг. 2.19
Фиг. 2-19
е показана общата блокова схема на регулирана по скорост из-
пълнителна система. Тя се състои от регулатор на скоростта PC,
изпълнителен елемент ДВ, датчик на скоростта ДС и устройство
за сравняване СУ. На входа на СУ се подава величината £уС»,
с конто се задава необходимата скорост на движение УИЗх, и
39
величината на обратната връзка по скорост Еов, пропорционална
на моментната реална стойност на скоростта на изхода УИзХ.
В резултат от сравнението на ЕуСт и £оВ на изхода на СУ се
получава сигнал на разсъгласуването ЕВх.
В зависимост от подбора на параметрите на отделните елементи
на САР с обратна връзка се постига определена точност на под-
държане на зададената величина, чувствителност, разрешаваща
способност, линейност, честотен обхват, динамични характери-
стики и др.
Датчиците за скорост, използувани в системите за задвижване
на изпълнителните механизми на промишлени роботи, предста-
вляват аналогово-цифрови преобразуватели на ъглова скорост.
Те измерват ъгловата скорост и я преобразуват в числова вели-
чина по два основни метода: чрез преброяване на единичните
нараствания на преобразуваната величина или чрез директно
отчитане. В зависимост от това, дали преобразувателите, изгра-
дени по метода на преброяване на единичните нараствания, из-
мерват измененията на ъгъла на въртене или броя на пълните
завъртания, те биват следящи или циклични.
На фиг. 2.20 е показано устройството на стробоскопичен фо-
тоелектронен измерител на скоростта в завъртания за секунда.
Той се състои от стробоскопичен диск от непрозрачен материал
1 (фиг. 2.20 а) с N отвора. При всяко пълно завъртане на диска,
свързан с оста 2 на двигателя, чиято скорост се измерва, N отвора
преминават покрай измерителната глава, състояща се от нзточник
на светлина 3 и фоточувствителен елемент 4. Броят на отворите
п, преминаващи покрай главата на датчика за 1 секунда, дава
непосредствената оценка на скоростта на въртене: n/N, s-1. Че-
стотата на повторение на електрическите импулси по абсолютна
стойност е п. Например, ако /V-—= 100, а за 1 s са измерени п=6870.
40
то п/Л/=68,7 s'1. Следователно стойността на N е от значение за
разрешаващата способност на датчика. Ако Л1=1, скоростта ще
може да се измерва с точност до 1 завъртане. При ^=100 основ-
ната разрешаваща способност е вече 0,01 завъртане. Колкото е
по-голяма стойността А1, толкова по-голяма трябва да бъде работ-
ната честота на фоточувствителния елемент 4: fp>n—N, s'1.
Фоточувствителният датчик се избира така, че да дава в изхода
си сигнал с форма, показана на фиг. 2.20 в. Времето за нарастване
трябва да бъде такова, че сигналът да достига максималната си
стойност за интервала, през конто датчикът се осветява при пре-
минаването на отвора пред измервателната глава. Времето за
намаляване на сигнала б'н;,х трябва да достига минимума по
време на интервала между два отвора (2). Недопустима е фор-
мата на сигнала, показана с линпята 3.
Датчикът за скорост може да има и друга конструкция: напр.
контактен, индуктивен и др. При контактами вариант дискът се
състои от отделил токопровеждащи сектори, изолирани един от
друг, а измервателната глава представлява контактни четки.
На фиг. 2.21 е показана схемата на датчик на скорост, използу-
ващ метода на циклично преобразуване с преброяване на кван-
тите. При този тип преобразуватели не се натрупва грешка от
Фиг. 2-21
загубване на импулс при с.мяна на посоката на въртене. Преобра-
зуването се извършва за определен интервал от време, за който
изходната величина е пропорционална на моментната стойност на
ъгъла на завъртане на вала на двигателя спрямо едно прието
41
начално положение. Датчикът се състои от магнитен барабан 1
с две писти. На едната листа са записани N сигнала, чнято гъсто-
та определи кванта на датчика. Те се четат от магнитна глава
МГj. Сигналите от МГг след формиране и усилване в блока УФ
се подават на ключа К и брояча на импулси БР. На втората писта
няма постоянно записани сигнали. Над нея са разположени две
отместени в пространство™ глави — записвагца МГ3 и четягца
МГ2. При подаване на пусков импулс на вход 1 главата МГ3
записва импулса върху втората писта на въртящия се барабан,
тригерът Ту отвари ключа К, чрез който импулсите, индуктирани
от първата писта в МГг, постъпват в брояча, и се нулира броя-
чът БР. При въртенето на барабана снгналът, записан от МГ3,
попада под МГ2 и превключва тригера Ту в нзходно положение.
Ключът К се затваря и броенето спира. Записаното в брояча чис-
ло определи ъгъла на завъртане на вала. Точността на измер-
ване не завися от стабилността на скоростта на въртене на маг-
нитния барабан. Разрешаващата способност на датчика се опре-
дели от броя на квантите, записани на първата писта.
Датчиците на скорост, работещи на принципа на директното
отчитане, се състоят от кодова маски и чувствителни елементи:
контактни, феромагнитни, индуктивни, фотоелектронни и др.
Кодовата маска се състои от комбинации от прозрачна и непроз-
рачна ивици (при фотоелектронннте датчици) или проводяща и
непроводяща ленти при контактните датчици, магннтопроводна
и немагнитна при индуктивните и т. н. На фиг. 2.22 е показано
такова разпределение на диска на датчик с директно отчитане.
Фиг. 2-22
Квантите на отделяйте ивици (пътечки) се изменят по брой обпк-
новено по степеннте на 2. Така например в случая първа пътечка
се състои от 21—2 кванта, трета пътечка 23=8 кванта и т. н.
42
За пътечка п ще бъдат 2" кванта. Броят п на кодовите пътечки
се определи от разредността на двончната дума в изхода. Отчи-
тането на моментната стойност става с помощта на чувствителни
елементи, чнйто брой е равен на броя на пътечките п. Те се раз-
полагат по радиуса на диска в точките, означени на фиг. 2.22.
Обикновено валът на двигателя се свързва с кодовия диск, а чув-
ствителните елементи са неподвижни. При въртенето си кодовият
диск изменя положение™ си, като кодът във всеки момент съот-
ветствува на ъгъла на завъртане спрямо началното положение.
Чувствителността и точността на датчика, както и качеството
на получените електрически сигнали зависят от качествата на
използуваните чувствителни елементи. С помощта на оптическа
система при фотоелектронните датчици може да се постигне раз-
мер на лъча от порядъка на 0,02 mm, което позволява да се на-
калят размерите на кванта върху штата пътечка на кодовия
диск, а това води до по-голяма разрешаваща способност и позво-
лява използуването на по-голяма разрядност. В практиката се
използуват до 16-разреднп кодови маски.
Кодови датчици се използуват и като устройства за определяне
на линейните и ъгловите премествания. Освен с двоична система
се изработват кодови маски с двоично-десетична система, с код
на Грей, десетичпи и др. Максималната разредност на четковите
датчици достига 28. Техен основен недостатки е малкият срок
на работа (дъл! от райност), резултат от наличпето на механичны
контакты, конто се трият кенрекъснато върху нътеките. Срокът
на работа се движи в граиииите от 1,5-:-2 млн. завъртания. В
табл. 2.1 са дадени някои стойкости на характеристиките на ко-
довите датчици.
Таблица 2.1
Тип на кодовия датчик Разрешаваща способност LU у м о устойчиво с т Авюномност Цена
Контактен 7 бита Добра Зависими Малка
Фотоелектронен 15 бита Ниска Независим!! Голя.ма
Електромагнитен 7 бига Средня Средня
За определяне и предаване на разстояние на ъгъла на завър-
тане на изпълнителните механизми се използуват устройства,
конто работят на трансформаторен принцип: въртящи се транс-
фер маторн, селении и резолвери.
У стройствата за измерение ни ъгли или синусно-косинусните
преобразуватели представляват трансформатор с регулируема
43
връзка. Променливото напрежение, подадено в първичната на°
мотка (Ц) индуктира във вторичната намотка напрежение U2.
Двете напрежения са свързани чрез предавателното отношение
на двете намотки, изразено чрез броя на навивките в тях: U1IU2=-
Фиг. 2-23
=ш1/к>2. Тази формула е в сила при коефициент на индуктив-
ната връзка между двете намотки А=1. Ако двете намотки са
навити върху отделни сърцевини, така че нямат общ магнитен
поток, К=0. Същият резултат се получава, ако намотките са
взаимноперпендикулярни. На фиг. 2.23 са показани пет раз-
личии случая на пространствено разиоложение на намотките ед-
на спрямо друга. На фиг. 2.23 а двете намотки са разположени
на една линия и индуктивната връзка е максимална (К=1).
На фиг. 2.23 бив вторичната намотка е под ъгъл 45° и 90° спря-
мо първичната. Коефициентът на индуктивна връзка намалява
съответно до K=cos 45°=0,707 и /(=0 (теоретически), а следова-
телно и t/2=0 при 6=90°. При завъртане на ъгъл 6=135° се
смени знакът на фазата при същата амплитуда, както при 6 =
—45° (фиг. 2.23 г). При 8=180° (фиг. 2.23 д) се получава макси-
мална отрицателна стойност на вторичного напрежение — U2M.
На фиг. 2.23 е е показана зависимостта на напрежението във
вторичната намотка U2 във функция от пространственото поло-
44
жение на двете намотки. Аналитнчната форма на тази зависимост
се изразява с формулата
f/2—^iC^^ikos 6.
където 0 е пространствения ъгъл между първичната и вторичната
Фиг. 2-24
намотка. Тази зависимост може да се използува за измерване на
ъгъла на завъртане 0.
Намотките на ротора и на статора са разположени пространствено
на 90“. На фиг.2.24 е показана схемата на свързване на намотките.
Ако се приеме, че намотките на първичната и вторична части
са равни, напреженията и'2 и £/" могат да се изразят чрез Uy
и 0:
LZ'==t/i.cos 0;
Ц'=Uy. sin 0 = Uy. cos (6—90°).
Зависимостта между Uy и L/2 е нелинейна, което затруднява
измерването на ъгли. За да се линеаризира зависимостта на фа-
зата от ъгловото преместване, се дефазира една от вторичните на-
мотки на 90° и се сумират двете вторични напрежения U? и U?,
или
^l = ^lmsin “А
U'2 = Uy cos 0 = Ulm sin 101 cos 0;
t/" — Uy sin 0 = C7lm sin cd t sin 0,
където w e ъгловата чесюта на възбудителното напрежение Uy,
a Uym е неговата максимална стойност. Ако се измести по фаза
на 90° напрежението t/2, се получава
45
U2 = Ulm sin (<i^+90°) sin 6.
След сумирането на двете вторични напрежения Ui и U-2 и ка-
то се използуват тригонометричните зависимости sin (ы/ + 90е) =
= coswZ и sin a. cos 4-sin cos а = sin (а 4-р), за изходното напре-
жение на въртящия трансформатор се получава
6фзх=т (Л = Ulm (sin ы t. cos 6 4- cos ы t . sin 0)=t/lm sin (u>t 4- 6).
Една схема за отместване на фазата на 90° е показана на фиг.
2.25. Изходното напрежение е нзместено по фаза 90° спрямо вход-
но то:
= U2. RjuC.
Коефициентът на усилване е равен на /<у—/?соС и е постоянен»
защото R, С и w са постоянни величини.
За едно завъртане на вала на въртящия трансформатор се полу-
чава пълно изменение на фазата на изходното напрежение от 0°
до 360е. Може да се използува многополюсна конструкция на
ъглово решаващо устройство, при което нзмененнето на фазата
на 360° се извършва за част от едно завъртане. Напр., ако върху
ротора са навити 16 двойки намотки, разположени симегрично
по периметъра му, едно електрическо завъртане (нзмененнето на
фазата на 360 ) ще съответствува на 1/1в от оборота на вала. Та-
кава конструкция се нарича многополюсно ъглово решаващо уст-
ройство или индуктосин (индукционен синусно-косинусен пре -
образувател).
Индуктосините имат значително по-голяма разрешаваща способ-
ност и следователно по-голяма точност на измерването. Изработ-
ват се индуктосини с разрешаваща способпост 0,6". Възбудител-
ното напрежение е с амплитуда 24 V или 115 V при честота 50 или
400 Hz. Изнолзуването на по-висока честота иозволява значи-
телно да се намалят размерите на индуктосините. Съществуват
разработки, конто използуват широк честотен обхват и достигат
до 10 kHz работ на честота.
Принципната схема на устройството за измерване на ъгли е
показана на фиг. 2.26. Сумарната грешка на такава система се
формира едновременно от грешките на всички участвуващи еле-
менти. В самия индуктосин има три основни източника на греш-
ки:
1. Индуктираното във вторичните намотки напрежение на
практика никога не може да стане нула.
2. Пространствените ъгли между намотките на ротора и намот-
46
ките на статора не са равни точно на 90, асе нзработват с ня-
какво отклонение.
3. Изходното напрежение ДИЗх не е точно синусоидална функ-
ция на ъгъла на завъртане на вала.
4. Отклоненията на формата на възбудителното напрежение-
предизвикват амплитуднн и фазови грешки.
Други разпространени устройства за измерване на ъгъла на
въртене от трансформаторен тип са селсините: селсин-датчици,
селснн приемници, селении от тип диференциален блок и упра-
вляващи селснн-трансформатори.
Управляващият селсин-трансформатор се използува преди
венчко като устройство за сравняване от типа на днференциалния
усилвател. Той се състои от статор с три намотки, съединени в
„звезда", и ротор с една намотка. Намотката на ротора изработва
изходно напрежение, нропорционално на разликата между теку-
щий ъгъл на завъртане на вала и дакните за електрическия ъгъл,
подавани на трите намотки на статора. Уиравляващият селсин-
трансформатор се използува като следящо силово задвижване в
биотехническите системи за управление на манипулатори (фиг.
2.27). Входна величина за та кава система на задвижване е поло-
жението на ъгъла на завъртане на ротора на селсин-датчика С—Д,
конто се евързва с ръчката за управление, задвижвана от човек-
оператор. Статорът на С—Д изработва синхронии даннп за сле-
дене във вид на три напрежения, пропорционална на входния
ъгъл 0ВХ. Те се подават на съответните статорни намотки на
управляващия селсип-трансформатор УС — Т. Неговата изход-
па величина е папрежението в двата края на намотката на ро-
тора, наречено напрежение на разсъгласуване (7Р. То е пропор-
цнонално на разликата между входния ъгъл на завъртане 0Вх и
моментния ъгъл на положение на изпълнителното звено 6Иэх-
Това напрежение се усилва от сервоуснлвател У и се подава на
двигателя Д, конто задвижва изпълнителния механизъм ИМ.
47
При Up—Ov двата ъгъла съвпадат, двигателят спира и следенето
се преустановява. Ъгловото положение на съответната степей на
подвижност на манипулатора повтаря положението на управля-
ващата ръчка.
С-Д УС-Т
Фиг. 2-27
Работата на селсинните системн е свързана с движение на зна-
чителни маси, поради което бързодействието им е ограничено.
Времето за реакция е от порядъка на секунди.
Резолверите имат по-големи възможности и се използуват като
устройства за предаване на ъгли заедно с въртящи се трансфор-
матори, в ЦАП на дискретам величнни в ъгъл и др.
Освен разгледаннте видове датчици в сервосистемите на про-
мишлените роботи и другите изпълнителни механизми на робо-
тизираните системн се използуват в по-ограничени мащаби и
други видове измерителни и управляващи устройства. Техният
избор и конструкция съответствуват на типа на управлението —
полуавтоматично, автоматично, интерактивно и др.
48
Глава 3
ТАКТИЛНИ СЕНЗОРНИ УСТРОЙСТВА
Тактилните сензори се използуват най-често за снгнализиране
на момента на допиране на хващача на манипулатора на робота
(или корпуса му) с обектите в работното пространство. При под-
ходяща конструкция на датчиците тактилните сензори могат
да се използуват за целите на разпознаване на образн, за опре-
деляне на размерите на обектите, за търсене на обекти и др. Так-
тилната информация е незаменима, ако роботът действува в не-
осветена среда.
Тактилните сензорни устройства могат да се класифицират по
различии признаци. Според начина на използуване на тактил-
ната информация в процеса на управление на робота те биват:
за управление на траекторията на движение на хващача, за ре-
гулиране на силата, прилагана от хващача върху обектите, за
целите на разпознаване на образн и ситуации. Според начина
на преобразуване на приложената върху тактилния датчик сила
се делят на:
сензорни устройства, конто използуват датчици, където сила-
та се възприема като механично преместване на чувствителния
елемент: превключватели, микропревключвателн, двупозиционни
изключватели, индуктивни датчици, капацитивни датчици, фо-
тодатчици и др.;
сензорни устройства с датчици, при конто силата се възприема
като деформация на чувствителния елемент: тензометрнчни и
пиезоелектрични преобразуватели, електросъпротивителна гума,
полупроводникови преобразуватели и др.
В зависимост от типа на въздействието, на което реагират
датчиците на тактилните сензорни устройства, те биват:
сензори, реагиращи на допир: микропревключвателн, магнито-
управляеми контакта, металополимерни композиции и др.;
сензори, реагиращи на приплъзване: електромеханични, пиезо-
електрически, с измерване на разпределението на налягането и
др.;
сензори, реагиращи на усилие: електромеханични, пиезоелек-
трически, тензометрнчни.
При изработването на датчиците за тактилните сензорни уст-
4 Сензорни у-ва за роботи
49
ройства се поставят специални изисквания: малък ход на пре-
включване, възможност за работа в среда с повишена температура
или влажност, сигурна работа при наличие на вибрации, малки
размери, висока чувствителност и т. н.
3.1. ДАТЧИЦИ С МЕХАНИЧНО ПРЕМЕСТВАНЕ
НА ЧУВСТВИТЕЛНИЯ ЕЛЕМЕНТ
3.1.1. Контактам превключватели
Преместването, предизвикано от допнр до обект от работает»
пространство на робота, е евързано с отварянето или затваря-
нето на някакъв контакт. Материалы, от който се изработва
контакты, механичната му конструкция и начинът на задейству-
ване -определят точността и надеждността на тактилното сен-
зорно устройство, което използува такъв тип чувствителни еле-
менти. Изборът на материал за контактите се определи преди
всичко от контактните сили, конто ще се прилагат върху тях.
Стойността на тези сили се измени в широки граници: от 0,001 N
за високочувствителни маломощни контактни преобразуватели до
2 N при мощните крайни изключватели за позиционни промиш-
лени роботи. От значение е и корозиоустойчивостта на контактите.
Много добри качества в това отношение имат контактите, изра-
ботени от алуминий или платина. Те се използуват при малки
контактни усилия (0,001-г-0,02 N) и в случаи, когато не се изиск-
ва голяма износоустойчивост на контактите. Най-разпространен
материал за маломощни контакта е среброто с много добра електро-
проводност, износоустойчивост п корозиоустойчивост. Получа-
ваният под действие на електрическа искра окисен слой е елек-
тропроводим и лесно се разрушава при сили над 0,05 N.
Контактните датчици имат редица преоимепта: простота
на конструкция га, сигурно задействуване, информация във вид
на дискретни електрически сигнали. Но те имат и серпозни недо-
статъци: не могат да работят под вода и в химически активна
среда, необходим!! са периодични проверки на работоспособност-
та им, почистване на контактите, смяна на контактите при
трайна деформация и др. За нуждиге на роботостроенето се раз-
работват специални контактни датчнци-мнкропревключвагели.
В табл. 3.1 са дадени никои типове съвременни микропревключ-
ватели и техните основни параметра.
Възможностите на съвременната техника и технология за
изработване на компактни и минпатюрни микропревключватели
позволяват монтирането на по-голям брой от тях върху хващача
50
Таблица 3.1
Тип Електрически параметри Сили на за- де й с т- вуване, N Ход» КПП Габаритна раз- мери (височи- на, широчина* дебелима), mm ) Тегло, g
променлив ток, V/A постоянен ток, V/A
IXEI 125/7 28/7 1,12 0,51 9X5X13 2,7
V4 125/5 28/5 0,01 0,42 20X19X27 4,2
ITB1 125/10 30/10 3,7 1,6 14X13X32 3,8
41 ТВ 5—3 125/10 30/10 10,2 1,8 23x16X32 6,3
DT-2R-A7 125/10 125/0,3 5,67 1.9 23X17X49 7,6
IHSI 12511 2/5/10 6,24 2,1 29X17X19 8,2
BZ-2R-.I 125/15 250/0,3 3,7 0,4 23X17X19 7 О
B2-R-J 125/10 125/0,3 2,55 0,3 23 X 17X49 7,0
SS-S 125/5, 250/3 — 1,5 0,5 9,4X6,4X20 1,8
S-5G 125/5 6—230/ 5—0,2 2,0 0,8 9,2X6.4X20 2,1
С-5 125/5, 250/5 125/0,4, 250/0,4 0,01 0,35 19X16X31 8,7
J-5 123/5 6—230/ 5- 0,2 1,1 0,6 9X5X12,7 1,0
W-5 125,5 6—230/ 5 0.25 0,25 1,6 16X14X28 6,6 1
2—15-HZ 125/15, 250/10 125/0,1 250/0,2 2,25 0,3 21X17,5X4;) 8,3
на роботите. Това дава допълнителни възможности за разпозна-
ване на детайли с различна форма. За целта от вътрешната и
външната страна на палците на хващача се монтират матрмци от
микропревключватели. Чувствителният елемент на датчика се
оформя като игла. При допиране до обекта съответните иглн от
матрицата потъват и затварят контактите си. Така получената
тактнлна информация се обработва от специални программ, в
резултат на което се иолучава информация за типа на обекта,
неговите размери и координатнте на положение™ му в работного
пространство на робота.
На фиг. 3.1 е показан хващач на робот, снабден с мпкропре-
включватели от иглен тип. С S, са означени отделимте повърхностн
на хващача, конто се характеризират с еднакво въздействие по
отношение на посоката на движение на манипулатора, а именно.
St (ляв палец, външна страна), S3 (ляв палец, вътрешна страна),
S.j (десен палец, вътрешна страна), SG (десен палец, външна стра-
на), S2 (ляв палец, челен край), Ss (десен палец, челен край),
S, и Sg (горна и долна повърхност на левия палец), S9 и S10 (гор-
51
на и долна повърхност на десння палец). На външните и вътреш-
ните страни на палците са поставени по 4 микропревключвателя, а
на останалите повърхности (S2, Ss, S„ S8, S9 и S10 — no 2 микро-
превключвателя. На фиг. 3.2 e показан пример за действие на
Фиг. 3.1
робот по захващане на предмет с нзползуване на хващача, по-
казан на фиг. 3.1. На фиг. 3.2 а е моментът на съприкосновение с
обекта, в резултат на което е затворен поне един от микропре-
включвателитевърху вътрешната страна на левия палец S3. Следва
преместване на хващача вляво до положение, при което се за-
тваря поне един от микропревключвателите върху вътрешната
страна на десния палец S4 (фиг. 3.2 б). По време на това премест-
ване системата за управление на изпълнителните механизми
определят големината на обекта, въз основа на конто хващачът
се връща в обратна посока до положението на фиг. 3.2 в. След-
ващата операция е захващане на обекта (фиг. 3.2 г), при което се
включват едновременно всичкитс 8 микропревключвателя върху
вътрешните повърхности на палците S3 и S4. Микропревключва-
телите върху външните повърхности на хващача от фиг. 3.1 се
използуват за откриване на препятствия и обекти чрез логически
анализ на възникващите ситуации от ирограмата за управление
на сензорнте. Такъв сравнително прост начин на очувствяване
на хващача позволява много задачи и ситуации да се разрешат
самостоятелно от системата за управление на робота без намесата
на човек-оператор.
Съществен недостатък на механичните превключватели е въз-
можността за получаване на лъжливи сигнали по време на дви-
жение на робота поради наличие на вибрации в механиката. Този
недостатък се избягва чрез нзползуване на електронни схеми за
52
Фиг. 3.2
53
всеки превключвател. Предназначението на електронната схема
е да елиминира всички паразитам импулси и на нзхода да се
получи само един импулс. Този тип тактилни сензори се наричат
двупознционни. На фиг. 3.3 а е показана принципната схема с
една ТТЛ ИС от тип И-НЕ и времезарядна верига. При допи-
фиг. 3.3
ране на хващача до тяло се затваря микропревключвателят К-
Кондензаторът С, конто дотогава не е зареден, започва да се
зарежда. Когато напрежението върху кондензатора се изравни с
прага на превключване Un на ИС, схемата се превключва и на
изхода се получава положителен импулс (фиг. 3.3 б). За да не
влияят внбрациите върху работата на микропревключвателя,
времеконстантата на зареждане на кондензатора x3=R2.C тряб-
ва да бъде много по-малка от периода на вибрациите, а времекон-
стантата на разреждане тр=(R1+R.2)C да бъде много по-голяма
от него.
На фиг. 3.4 е показана аналогична схема, различна е само
полярността на изходния импулс. В началното състояние кон-
дензаторът С е зареден ирез резистора Rr до стойността на за-
хранващото напрежение ф-Е. В момента на първото задействуване
на микроиревключвателя К кондензаторьт се разрежда през
резистора R.2. На изхода се изработва импулс с отрицателна
полярност.
Най-добри качества има схемата, показана на фиг. 3.5. Тя
представлява RS-тригер, конто в изходно положение има Q—0,
Q1. При задействуване на контакта К нулевият потенциал се
превключва от единия логически елемент към другия. В резул-
тат се превключва и RS-тригерът и следващите вибрации не му
действуват. При прекратяване на контакта схемата се възвръща
в изходно положение.
54
Недостатък на разгледаните схеми е времезакъснението между
момента на осъществяване на контакта и получаването на из-
ходния сигнал. При първите две схеми това закъснение се пред-
извиква от времеконстантата на кондензатора, а в третата схе-
ма — от времето за превключване на RS-тригера.
Фиг. 3.4
Фиг. 3.5
Съвременната реализация на механичните превключвателни
елементи са т. нар. магнитоуправляеми контакта (рид-релета).
Те представляват две пластини от феромагнитен материал, за-
поени в стъклена капсула, напълнена с инертен газ. Контактните
повърхностп на пластините са със специално покритие, което
увеличава тяхната износоустойчивост. При въздействие на външно
магнитно поле (електромагнитно или постоянно) върху капсула-
та контактът се затваря или отваря в зависимост от изходното
си положение. Инертният газ или вакуумът служат за премахване
на искренето при затваряне и отваряне на контактите. Магнито-
управляемите контакта имат редица предимства: голямо изо-
лационно съпротивление (>10^0), малко електрическо съпро-
тивление — 0,05-^-0,2П, голямо бързодействие (време на включ-
ване 3 ms, време на отваряне — 0,8 ms), добра виброустойчивост,
голям обхват на работайте температури (от — 60сС до + 150°С),
работа във вода и в химически активна среда й др. Недостатък е
необходимостта от предпазване от силно външно магнитно поле,
което може да предизвика погрешно включване на контакта.
Общ недостатък на тактилните сензорни устройства е ограни-
чението, което те налагат върху бързодействието на роботите.
Използуването на тактилни сензори за целите на разпознаване
на обекти и други специфични задачи изисква значително по-
малка скорост на работа в сравнение с електронните методи за
обработка на визуална информация. Въпреки това се работа вър-
ху усъвършенствуване на тактилните датчици и в тази насока.
55
На фиг. 3.6 е показан датчик от тактилен тип, конто се отличава
с висока чувствителност при задоволително бързодеиствие Кор-
пусът на сензора се състои от мембрана 1 и пипала 2 и е изработен
от еластичен материал (например вулканизиран каучук). Де-
Фиг. 3 6
или повреди на обектите или
ността на такъв сензор е от
формирането на което и да е от
пипалата насензора при допиране
на препятствие се предава на мем-
браната. При това постоянният
магнит 3, закрепен на нейната въ-
трешна страна, се премества и
задействува магнитоуправляемия
контакт 4. Сензорът се задейстува
при малки деформации на пипала-
та. Благодарение на еластичността
им движение™ на хващача по посо-
ка на задействувания сензор в
зоната на спиране на манипула-
тора не предизвиква отместване
самия манипулатор. Чувствител-
порядъка на 0,15-=-0,20 N.
3.1.2. Фотоелектронни датчици
При работа с метални предмета или вътре в силно магнитно
поле, където не могат да се използуват обикновените контактни и
магнитоуправляеми
ции на тактилни
Фиг. 3.7
датчици, се използуват специални конструк-
датчици от фотоелеклпронен тип. На фиг.
3.7 е показано устройство™ на такъв дат-
чик. Той се състои от чувствителен елемент
1 ( във формата на игла, бутон или друг
подходящ вид), корпус 2, възвратна пружи-
на 3, оптронна двойка, съставена от свето-
диода 4 и фототранзнстора 5. При аксиален
натиск върху датчика той потъва и прекъсва
светлинния поток между 4 и 5, в резултат
на което фототранзистора се запушва. В
зависимост от начина на обработка на сигнала
такъв датчик може да се използува като
двупозиционен — „включен“/„из ключей", или
като аналогов по отношение на интензивност-
та на светлинния поток. Във втория случай
силата на тока във веригата на фототранзи-
стора е пропорционална на приложената
сила, конто се уравновесява от възвратната
56
пружина 3. Точната стойност се измерва с цифрово-анологов
преобразувател. Поради компактността си този тип датчици се
изработват във вид на матрици, конто се монтират върху^стените
на хващачите на роботи.
3.1.3. Капацитивни и индуктивни тактилни датчици
Капацитивният датчик наподобява кондензатор с диелектрик
въздух. Различимте конструкции се свеждат до два основни ва-
рианта:
1. С изменение на разстоянието между плочите на конденза-
тора-датчик: в този случай при натиск върху чувствителния
елемент той потъва заедно с прикрепената към него подвижна
плоча. Тя се приближава към неподвижната плоча и следова-
телно се увеличава капацитетът на еквивалентния кондензатор.
2. С изменение на ефективпата площ на кондензатора: при този
тип конструкция подвижната плоча е така закрепена към чув-
ствителния елемент на сензора, че при натиск се завърта спрямо
дадена точка, като се измени прнпокриването между плочите
на кондензатора, а следователносемени и неговият еквивалентен
капацитет. Чувствнтелността на този тип капацитивен датчик се
измерва като момент (N.ni), а преместването на подвижната му част
се дава в ъглови градуси.
Индуктивните тактилни датчици използвуат нзмененнето на
индуктивността на бобина с променяща се сърцевина. Чувстви-
телният елемент на сензора е свързан с подвижната сърцевина,
която се поддържа извън бобината от възвратна пружина. При
допиране до обекта сърцевината потъва в бобината и се увели-
чава ефективната й индуктивност.
При капацитивните и индуктивните тактилни датчици се въ-
вежда праг на задействуване по отношение на стойността на изме-
нение на капацитета и съответно на индуктивността, което съот-
ветствува на двупозиционния вариант на фотодатчика (фиг.
3.7). Аналоговият вариант на снемане на информацията се из-
ползува за измерване на приложената върху хващача сила.
57
3.2. ДАТЧИЦИ с преобразуване на силата в деформация
НА ЧУВСТВИТЕЛНИЯ ЕЛЕМЕНТ
3.2.1. Тензсметрични датчици
Тензометричните датчици са най-разпространени главно по-
ради простоте си устройство. В зависимост от технологията те
могат да бъдат жични тензометры върху изолационна основа,
фолиеви и лентсви тензорезистори. С тях се измерват относителни
Фиг. 3.8
деформации или механични напрежения от порядъка на 0,005-=-
ч-1,5%.
На фиг. 3.8 е показано устройството на жичен тензодатчик.
Върху еластична изолационна основа 1 се залепва електропро-
водяща жичка 2 с определено сечение, дължина и форма на огъ-
ване. Със специално лепило датчикът се залепва върху хващача
или на друго място на манипулатора, където трябва да се измер-
ва деформацията. При прилагане на сила върху датчика жич-
ката се деформира, вследствие на което съпротивлението й се
измени (изменят се дължината L и сечението s). Относителното
изменение на съпротивлението Д/? определи еднозначно големи-
ната на приложената сила в съответната точка от повърхността
на хващача. В зависимост от условията на използуване този тип
датчици се изработват с различна конструкция.
На фиг. 3.9 а, б, в са показани няколко датчика, предназна-
чени за измерване на сили, приложени по една ос. Означени са
основните размери: дължина на решетката L, ширина на решет-
ката h, дължина D и широчина И на подложката. В табл. 3.2
са дадени никои конкретни стойкости на параметрите на дат-
чици НВД1 (ФРГ) (U е стойността на захранващото напрежение
58
на моста). Съпротивителен материал е константаново фолио с де-
белина Зч-5 pm. Основата е изработена от полиамид с дебелина
12-7-25 pm.
Фиг. 3.9
Таблица 3.2
'1нп на датчика L, nim h, min D, mm H, nini /?, Q U. V
0,6/12 J LY11 0,6 1,0 5,0 3,2 120 1,5
3/120 LY11 3,0 !,1 8,3 120 4,5
10/120 LY11 10,0 4.9 18,5 • ь 120 15
3/350 LY11 3,0 1,5 8,3 4,7 350 9
10/350 LY11 10,0 5,0 18,3 9,5 350 26
1,3/123 LY21 1,5 1,6 4,7 8,3 120 ' 3,5
3/120 LY21 3,0 3,3 7,5 10,0 12J 7
6/120 LY21 6 6,5 11,0 16,0 120 10
10/120 LY41 10,0 5.3 18,0 8,0 120 15
50/120 LY41 50,0 5,0 62,8 8,2 120 25
100/120 LY41 100,0 5,0 113,8 8,2 120 3)
150/120 LY41 150,0 5,0 165,6 8,2 120 35
10/350 LY41 10,0 5,3 18,0 8,0 350 26
10/700 LY41 10,0 5,3 18,0 8,0 700 36
59
За тензодатчиците от типа LY41 размерът L е значително по-
голям от h, благодарение на което те имат специфично прило-
жение — за измерване на осовп огъвания.
На фиг. 3.10 а и б са показани два типа двуосни тензометрични
датчици тип XY11 и XY21, а съответните им геометрични раз-
Фиг. 3.10
мери и електрически параметри са дадени в табл. 3.3. Този тип
датчици са подходящи за включване в мостови измерителни схе-
ми за независимо (XY11) и комбипирано (XY21) измерване на
сили, конто въздействуват одновременно по две взаимно перпен-
дикулярни оси.
Таблица 3.3
Тип на датчика I, mm h, mm D, mm Ht mm K, IZ, V
1,5/120 XY11 1,5 1.6 10,3 5,7 120 3
6/120 XY11 6,0 6,8 23,5 1J,8 120 12
3/350 XY11 3,0 3,3 11,4 7,3 350 10
6/350 XY11 6,0 6,5 23,3 10,5 350 20
1,5/120 XY21 1,5 2,5 7,6 6,3 120 3,5
3/120 XY21 3,0 5.3 11,2 9,5 120 6,6
6/120 XY21 6,0 10,0 17,5 12,7 120 14
6/350 XY21 6,0 10,0 17,5 12,7 350 21
На фиг. 3.11 е показана конфигурацията на тензодатчици за
измерване на сили по три оси, като фиг. 3.11 а, б имат ъгли между
60
осите 0°/45°/90° (датчици тип RY31 и RY81), а на фиг. 3.11 в —
датчик от типа RY71 с ъгли между осите 0°/60о/120°.
На фиг. 3.12 а, б са показани съответно квадратен и мембра-
нен тип конфигурация тензодатчици VY11 и MY21. Произвеждат
Фиг. 3.12
се модификации на всички показани дотук тензодатчици с раз-
личии видове изводи, с различен коефициент на топлинно раз-
ширение на материала на изолационната подложка, съобразен с
материала, върху който се залепва датчикът (стомана, алуминий,
пластмаса).
61
При необходимост от диференцирано измерване на силите в
точки, разположени в една линия, вместо залепването на много
еднотипни тензодатчици се използуват специално произведени
матрици от датчици. На фиг. 3.13 е показана такава едномерна
Фиг. 3.13
матрица, образу вана от тензодатчици от типа LY11. Върху обща
подложка са монтирани десет датчика за измерване и един датчик,
който се използува за компенсация. По подобен начин могат да
бъдат монтирани матрици от датчици от двуосен (XY11) и три-
осен (RX) тип. Данни за никои от дзтчициге от типовете RY, VY,
MY, KY са дадепп в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Гип на датчика Z, mni /7, пип Z>, min /Z, nun К, Я 1 и, V I
6/120 RY31 6,0 1,1 14 — 120 3,5
15/120 RY31 15,0 2,1 23 120 8,5
6,120 RY71 6,0 1,1 14 —. 120 3,5
10/120 RY71 10,0 2,3 18 — 120 6
1,5/120 RY81 1,5 1,3 8,2 11,6 120 2,5
6/120 RYS1 6.» 2,1 13,2 22,9 120 9
3/120 VY11 3,0 7,0 13,3 13,3 120 10
6/120 VY11 6,0 14.0 23 23 120 20
6/120 MY21 6,0 — 7,3 — 120 3,5
25/120 MY21 25,1 — 27,0 — 120 12
15/350 MY21 15,0 — 17,0 — 350 15
1'120 KY11 0,6 1,0 7,2 14,0 120 1,5
2/120 KY11 1,5 1,3 6,7 24,5 120 3,5
4/120 KY11 3,0 2,1 9,5 44,5 120 1 5
Тензометричните датчици са миниатюрки, безинерционни за
честоти 0<-100 kHz. Влиянието на температурата се отстрани ва
чрез компенсация. За целта се използуват мостови схеми с д ва
62
тензодатчика, ориентирани така, че единият да реагира на раз-
тягане, а другият на свиване (фиг. 3.14). При такова включване
чувствителността се увеличава два пъги, а влиянието на темпера-
турата се премахва почти напълно (при еднаквост на датчиците).
Фиг. 3.14
В съвременната полупроводникова технология се усъвършенству-
ват и методите за нанасяне на съпротивителните слоеве. Чрез
катодно разпрашване и вакуумно изпаряване се изработват тен-
зодатчици с голяма точност и сложна конфигурация.
3.2.2. Пиезодатчици
На фиг. 3.15 е показана консгрукцията на матрица от пиезо-
датчици с подходящи размери и взаимно разположение. Отвеж-
дането на потенциала на пиезокристалите се извършва чрез ме-
Фиг. 3.15
тализация на двете повърхности, като едната повърхност (2) е
обща, а втората — отделка за всеки пиезоелемент. Пространство-
то около отделните пиезоелементи е запълнено с еластпчен ма-
териал 1. Върху общата повърхност на пиезодатчика, съставен
от п пиезоелемента, се подава напрежение Ео — прагова стой-
ност, задаваща еталонната, на конто трябва да реагира датчикът. '
При натиск на някакво тяло 3 еластичният материал се деформи-
ра и предава съответната деформация върху пиезоелементите,
разположени под мястото на допиране. Те от своя страна преоб-
разуват тази деформация в електрически сигнали. Картината,
която се получава от такъв пиезодатчик, осигурява необходимата
информация както за определяне на големината на силата по
повърхността на хващача, така и за определяне на равнинната
конфигурация на тялото 3. Разпознаването на предмета чрез
такова опипване може да се реализира и с използуване на ком-
бинация от матрични и единички пиезодатчици, разположени
по определен начин върху хващача на робота. При всяко захва-
щаце на даден предмет в изхода на тактилния сензор се получава
вектор на състоянието Y, представен с потенциала на изхода на
всеки пиезоелемент. Чрез неколкократно захващане на предмета
с различна ориентация на хващача се получава съвкупност от
такива вектори. Чрез анализ на полученото множество точки по
метода на еквипотенциалните хиперравнини се определи при-
надлежността на предмета към една от категориите, конто е обу-
чен да разпознава роботът.
3.2.3. Електросънротивителна гума
Използува се явлението, при което при прилагане на деформи-
раща сила върху специален тип еластични материали се измени
някаква тяхна характеристика, поддаваща се на измерване по
Фиг. 3.16
64
електрически път, в случая съпротивлението. На фиг. 3.16 е
показана зависимостей на обемното съпротивление на датчик от
разпенен полиуретан от деформиращата сила F. От двете стра-
ни на полиуретановия слой е нанесен метален слой. Недостатък
на електросъпротивителните гуми е остатъчната деформация след
продължително въздействие върху тях, стареенето и влиянието
на химически вещества. Засега се използува като двупозиционен
тактилен датчик върху външните повърхности на хващача и
манипулатора на робота.
3.2.4. Полупроводникови датчици
С помощта на планарната MOS-технология се изработват па-
сивирани транзистори, конто работят като тензодатчици. Гейтът
им се изработва от кадмиев сулфидСЗЗ, който е тензочувствителен.
При изменение на налягането се променя количеството заряди в
гейта, т. е. измени се токопроводимостта на канала на полевия
транзистор. Такъв датчик, изработен като матрица от тензочув-
ствителни елементи върху общ кристал, има гол яма чувствител-
ноет, малка маса и размери. Недостатъци са зависимостта от
температурата и малката шумоустойчивост, конто усложняват
схемите за преобразуване на информацията от тях. Тези датчици
Таблица 3-5
Тип на датчика Измервана величина Обхват на измене- ние Изходна чувст- вителност | Работна тем- пература, °C
Micro Ducer Сила 04-22700 N 0,754-5.10BS —
Покритие Сила 0+44500 N 5004-сюЦ 27
SA-SA-M-6K Налягане 1,44-35000 N/cm2 20 mV/V 150
SA-SD-8J-HD Налягане 3,54-3500 N/cm2 1 150
LP-125 Налягане 04-3500 N/cm2 20 mV/V —
М-8160 Относително 04-7 pm/mm 30 mV/V •—
удължение
Диод MPS Налягане 0,014-100 N/cm2 — -30.. .+60
Транзистор PSS Налягане 04-10 N/cm2 20 mA/N —
Транзистор MJ Налягане 04-1 N/cm2 100 mW/N —
Серия PMS Налягане — 1-45000 N/cm2 14-10 mV/N.cm2 -30. ..+ 100
Серия KSP Деформация — +120% — —
Серия EN Деформация 04-±3.10» N -90.. 120% -10.. -+70
не могат да се използуват в промишлени роботи за заваряване, ко-
ване и др. Ако тези недостатъци бъдат преодолени, това ще из-
мени съотношението на използуваните датчици в полза на полу-
проводниковите. В табл. 3.5 са дадени данни за никои основни
типове полупроводникови тензометри, произвеждани в Япония.
5 Сензорни у-ва за роботи
65
3.3. ОБРАБОТКА НА ИНФОРМАЦИЯТА ОТ ТАКТИЛНИТЕ СЕНЗОРИ
Проблемы за разпознаване на образн и сцени доскоро се раз-
глеждаше като част от разработките по изкуствен интелект. В
момента опростени варианти на тези методи се използуват в про-
мишлените роботи от второ поколение. За практиката е особено
важен случаят на тримерно представяне на различны детайли
с цел по-нататъшно манипулиране с тях. В основната част от
съществуващите системи за анализ на реалии обекти се изпол-
зуват методите за обработка на визуални изображения, информа-
цията за конто се получава от едва или повече телевизионни ка-
мери. Телевизионното изображение се преобразува в двумерен
масив от дискретни елементи. Осветеността на всеки такъв еле-
мент се дискретизира на различен брой степени (2, 4, 8 или 16).
Найгпростият случай е представянето на изображението като си-
лует, т. е. само две степени на квантоване. Чрез анализ на така
получената двумерна сцена може да се възстанови трпмерната
структура на обектите в нея чрез свързване на относителната
интензивност на елементите на изображението. Този процес е
сложен и изисква значителни разходи на време и изчислителна
мощност. Освен това методые съпроводен от допълнителни услож-
нения: изкривяване на изображенията от перспективата, влияние
на сенките на обектите, необходимост от пространствена филтра-
ция на изображенията и др.
За да се избягнат тези трудности, се използуват друг вид пре-
рбразуватели, напр. оптически измервател на разстояния. Осно-
вен иегов недостатък е последователното определяне (сканиране)
на координатите на обектите точка по точка, което е бавен про-
цес. Тактилните сензорни устройства също предоставят възмож-
ностн за разпознаване на образи и анализ на тримерни обекти и
сцени, но доскоро не им се обръщаше достатъчно внимание. Так-
тилната информация в промишлените роботи от средата на 70-те
години се използува за определяне на момента на съприкоснове-
ние с обекта или най-много за вземане на ограничен брой пробп
(опипване) на открития обект.
Съчетаването на предимствата на визуалните и тактилните
методи за разпознаване дава възможност за паралелна обработка
на тримерна информация. Тактилните методи привличат внима-
нието поради две основни причини: те не се влияятот изкривява-
нията в перспектива и другите особености, присъщи на визуал-
ните методи за анализ на сцени, и се приспособяват лесно за об-
работка на тримерни обекти.
За целите на разпознаването е необходим компактен, бърз и
66
конструктивно прост тактилен сензор. На фиг. 3.17 е показана
тактилна глава за извеждане на информация за тримерни обек-
ти. Тя се състои от носещо шаси, на което са монтирани в мат-
рицей ред игловидни тактилни датчици, подредени в п реда по
Шаси
Фиг. 3.17
т датчика в ред. На фиг. 3.18 е показано устройството на един
иглов датчик. Пружинката връща иг лата в начално положение.
Иглата се плъзга праволинейно във втулката. Иглата и пружин-
ката могат да бъдат вградени направо в основата на тактилния
Фиг. 3.18
сензор, което увеличава компактността му (по-малко разстояние
между две съседни игли). На практика разстоянието d е 5-ь 8 пип.
L е работният ход на иглите на тактилния сензор, който се избира
67
според относителната височина на контурите на разпознаваните
обекти по отношение на работната равнина на робота.
При допиране на иглата до стръмна наклонена повърхност има
опасност от заклинване поради възникването на страничка си-
ла F и увеличено триене. Ако материалът, от конто е изработена
иглата, е достатъчно здрав (стомана) и не се огъва, материалът за
втулката трябва да има възможно по-малък статичен коефициент
на триене (пластмаса). По този начин критичният ъгъл на заклин-
ване 6 намалява. Ако втулката се изработва от проводим мате-
риал, трябва да се направи надлъжен процеп, за да се избягнат
токовете на Фуко. Пружината се изработва от фосфорен бронз,
който е немагнитен и има малък коефициент на твърдост. Може да
се използуват и по-ефективни методи за връщане на иглата (напр.
пневматични), с по-голям ход L и по-малка стъпка d между иг-
лите.
Отместването на всяка игла на тактилната глава при допиране
до обекта се регистрира с четящи намотки по начин, аналогичен
на използувания във феритните памети. На фиг. 3.19 е показана
част от главата с 4x4 иглови датчика. В хоризонтална посока
всяка игла се обхваща от възбудителна намотка, през която
протича определен възбудителен подмагнитващ ток. За това се
използува магнитен материал за иглите и немагнитен материал
за втулките и връщащите пружинки. Четящите намотки са раз-
положени перпендикулярно на възбуждащите. Те измерват
големината на индуктираното електродвижещо напрежение (е. д.
68
н.) в редовете от игли. При потъване на дадена игла (t, у) магнитна-
та връзка между i-тата възбудителна и у-тата четяща намотка се
увеличава и ще се индуктира съответно по-голямо е. д. н. в у-тата
четяща намотка. Така всеки иглов елемент със своите намотки
фиг. 3.20
образува нисковолтов диференциален трансформатор. За цялата
тактилна глава се използуват п възбудителни и т четящи шини,
свързващи намотайте по редици и стълбове. Намотайте са раз-
положени зад основата на тактилната глава, т. е. където се по-
дават иглите при натискане.
Сравнително простата електронна система на този тип так-
тилен сензор се управлява от процесора на робота. На фиг. 3.20
с показана блок-схема на електронната система на тактилния
сензор. Възбудителните намотки се захранват от възбудптелен
генератор ВГ, който изработва синусоидален ток с честота 500
1 lz. Блокът за логическо управление БЛУ управлява синхрони-
зацията на възбуждането, четенето и заниса на тактилната ин-
формация в паметта. С помощта на /г-разреден брояч Бр „У“ и
дешифратор от двоичен в n-разряден последователен код се из-
иършва комутация на ВГ последователно към всяка възбудител-
па намотка с помощта на п аналогови ключа АГ ,,V“. Блокът
па аналоговите ключове за възбуждане представлява аналогов
демултиплексор с цифрово управление. По подобен начин БЛУ
69
управлява брояча Бр „Х“, който с помощта на дешифратора Деш
„X" и блок от т аналогови ключа превключва последователно че-
тящите намотки към входа на усилвателя за четене УЧ. Усиленият
сигнал се подава на единия вход на сравняващото устройство СУ.
На втория вход на СУ се подава опорно напрежение Uon. При
потънала игла в момента (i, /) на точно определен адрес в паметта,
формиран от адресния брояч (Адр Бр), се записва единица. Ако
иглата не е потънала, на този адрес се записва нула. Паметта тип
RAM е организирана по вход „запис“ побитово, а по вход „чете-
не" — побайтово. Четенето се извършва чрез адресиране от управ-
ляващия процесор УПР на робота. УПР управлява и тактил-
ния сензор, като задава начало на цикъла за обхождане на игло-
вите елементи. В този момент БЛУ изработва нулиращ импулс
към Бр „У“, Бр „Х“ и Адр Бр. От този момент нататък запълва-
нетс на паметта с тактилната информация става чрез сканиране на
тактилната матрица. Адресирането на паметта става с честотата
на превключване на възбудителните намотки от АЛ „У“. Пре-
включването на четящите намотки се извършва с п пъти по-малка
честота, т. е. по време на последователното възбуждане на п въз-
будителни намотки е включена една от т четящи намотки. След
п. т такта на БЛУ паметта се запълва с тактилна информация.
След прочитане на тази информация от процесора се сгартира
следващият цикъл на сканиране на тактилния сензор и процесът
се повтаря.
1
3.3.1. Алгоритъм за вертикална обработка
на тактилна информация
Ако овисаната тактилна глава се разположи успоредно на ра-
ботната повърхност на робота, на изхода на тактилния сензор
(паметта RAM) се натрупва информация за дискретни стойкости на
височината на обекта, който се намира под нея. На фиг. 3.21 са
показапи три последователни положения на главата. Откачало
(фиг. 3.21 а) нито една от иглите не е допряла тялото. В положе-
ние™ на фиг. 3.21 б главата е преминала врез две характерни
ситуации, конто се различават една от друга но времето на задей-
ствуване и броя на иглите. В третото положение главата е до-
стигнала долно крайно положение за това тяло. За времето на
движение на главата от горно до долно крайно положение (със
скоростта на изпълнителния механизъм на робота) се извършват
голям брой сканирания на тактилния сензор. В случая се полу-
чават пет различии информационни масива, единият от конто е
изходният, при който всички игли са незадействувани (горно
70
крайно положение). Порадн малката разделителна способпост на
тактилния сензор — пхт точки, описанието на обектите се по-
лучава като съвкупносг от равнинни отрязъци (фиг. 3.22 а). Пред-
ставянето на обектите с тази информация е ефективно само при
5)
фиг. 3.21
Фиг. 3.22
над
над
над
о Л;
। > ho
В)
<.
наличието на определена връзка между отделните равнини по ре-
да на образуването им от сензора. От друга страна, всяка равни-
на трябва да бъде еднозначно описана чрез предварително зададе-
ни свойства. Най-разпространеният метод за описване на про-
странствени връзки при анализа на тримерни сцени е построя-
ването на т. нар. „свързан граф“. Той представлява йерархична
дървовндна структура, която изразява една или повече симво-
лични връзки: „вътре във", „над", „вляво от" и т. н., между от-
делите съставни части на сцената. На фиг. 3.22 б е показан
„свързаният граф", на сцената от фиг. 3.22 а. Всяка точка или
възел представя равнина (слой), а всяка насочена дъга (стрелка)
лзразява някаква връзка между слоевете (в случая „слой /г3 се
намира над слой /г2“).
Основно предимство на това структурно описание на простран-
ствените връзки е простият и еднозначен метод за анализ , така
71
че да се класифицира обектът (обектите). Структурного описание
определи всяка равнина чрез нейния периферен контур и горната
и долната стойност на височината. Свързаният граф илиоще„дбр-
во на връзките“ свързва контурите на отделяйте равнини в зави-
симост от това, дали те се заграждат или не. Насочена дъга меж-
ду два възела означава, че периферният контур на края на дъгата
обхваща този в началото й. Представянето на обектите чрез пе-
риферии контури, а не чрез равнини, дава по-добри възможности
за откриване на вътрешни вдлъбнатини и проходни отвори върху
повърхността на телата (понеже дупката не създава слой, но има
контур и може да се смята за отделна облает). Фактът, че никои
равнини са нереални (въображаеми) означава, че те са дупки и
вдлъбнатини по повърхността на тялото. Те се представят в евър-
зания граф, като в неговите възли се означава не само перифер-
ният контур, но и максималната и минималната стойност на ви-
сочината им. Разликата между реалиата и въображаемата равнина
се описва по следния начин. Когато равнината е реална, максимал-
ната стойност на височината предшествува минималната стой-
ност, означена към съответния възел. При въображаемата равни-
на е обратно.
Друга характерна особеност на тактилната информация е, че
при никои детайли две или повече равнини имат общи сегмента в
своите периферии контури. За структурно описание на такива
контури трябва повече информация. На фиг. 3.23 е показан
прост пример за тактилно представяне на тела и съответното
им структурно описание. За всеки отделен случай тактилните
параметри са приведени до определен брой равнини. Всички
детайли имат един и същи изглед отгоре (фиг. 3.23 а). Раз-
гледани са последователно три различии варианта на изход-
ната структура, като всеки се характеризира с различии стойко-
сти на височините hlf h2 и hs по отношение на основата h0. До
всеки детайл са показани елементите (равнините), от конто той е
съставен, и съответният граф на структурного му описание. Гра-
фовете на различните описания се съставят от дакните за конту-
рите, максималната и минималната височина на равнините, данни
за заграждаемостта на отделните равнини, разглеждани отгоре
надолу. Когато между отделните контури има общи сегмента, до
евързващата ги дъга е поставена буква ,,s“, ако единият загражда
другия непосредствено. В противен случай съответните възли се
евързват с пунктирана линия, до която отново се пише
(фиг. 3.23 б, в).
Описание™ на структурата се извършва на базата на две
аксиоми:
Зо
5) ti3>hz>hi>h0
max min
Ь'
I
jb
Л/
max
hz
max
h3
min
ho
max
hj
min
h3
s) hz>h3nh^h0
Фиг. 3.23
79
5< >
ho
min
hi
min
1'2
max min
hi ho
max min
h3 hf
max mln
hz h3
72
73.
1. Даден контур може да загражда много други контури, но
той самият може да се загради само от един контур.
2. Заграждането се подчннява на асоциативния закон (напр.
ако контур А загражда контур В, който на свой ред загражда
контур С, контур А също загражда С).
В тезп две аксиоми не се споменава за общите сегмента на ни-
кои контури, какъвто е случаят на фиг. 3.23. На фиг. 3.23 в е по-
казано, че два контура с общи сегмента не са разположени не-
пременно един в друг, както може да се предположи от другите
примери.
Обработката на тактилната информация може да се раздели
за удобство на две операции: отделяне на контурите на обекта
заодно с другата необходима количествена информация и свързва-
не на контурите в едно цяло. Известно усложняване се получава,
когато се анализира сцена, съставена от повече от един детайл,
т. е. тактилният сензор опипва трупа от тела. Тогава в алгоритъ-
ма за анализ трябва да се предвидя разделяне на сцената на от-
делим обекти веднага след завършване на първия етап. Тук под
отделяй обекти трябва да се разбират такива тела, конто не се
поддържат взаимно, т. е. отстраняването на това тяло не довеж-
да до промяна на положението на останалите.
Очевидно е, че един контур може да се определи чрез просле-
дяване на границите между отделимте области на обекта на даде-
на височина. Основното правило за отделяне на контур е негова-
та граница да се проследява така, че областта с по-голяма висо-
чина да остава винаги вляво от посоката на движение. Според
това правило контурите на вътрешните вдлъбнатини и отвори се
отделят лесно, тъп като се проследяват но посока на часовнико-
вата стрелка. Алгоритмът за отделяне на контур се състои в то-
ва, че контурите от дадена равнина с фиксирана горна височина
се изваждат чрез проследяване на границата между областите с
височина, по-голяма или по-малка от зададената. На фиг. 3.24
този принцип е илюстриран с прост детайл, съставен от две равни-
ни с височини съответно h., и 1ц спрямо височината на основата
hu. Чрез прилагане на горното правило два пъти за стойности на
височината h2 и 1ц се отделят двата контура, показами на
фиг. 3.24 б и в. Със стрелки е показана посоката на обхождане на
контурите.
На фиг. 3.25 е показана блоковата схема на алгоритъма за отде-
ляне на контурите при тактилно разпознаване За всяка дискрет-
на стойност на височината се извършва пълно сканиране на ма-
трицата от стойности на състоянията на игловите датчици. Про-
следяването на всеки контур трябва да започне в момент, когато
74
височината е фиксирана на стойност, конто се появява за първи
път. При това трябва да се провери дали даден контур не е про-
следен повече от един път. Отбелязват се контурите с общи сегмен-
та. Всяка точка от контура се означава веднага след сканиране-
Фиг. 3.24
то и чрез присвояването на новата стойност на височината, раз-
лична от тези на отделимте слоеве. В същото време се присвоява
и стойност на номера на контура, както и стойностите на всички
номера на предишни контури, преминаващи през тази точка. Ако
при проследяването на контурите по намаляваща стойност на
височината попадне маркирана вече точка от предишно сканиране,
тя трябва да притежава стойност на височината, по-голяма от
текущата. Контурният указател не допуска ново маркиране. При
отделяне на контурите се проверява дали указателят е достигнал
края на матрицата, при което проследяването на контура завърш-
ва. Контурът се записва в паметта точка след точка в реда, в кой-
то се проследява. Последователността от точки на контура се за-
писва в т. нар. „верижен код“ като двойка начални координата и
диференциална последователност от насочени вектори. Едновре-
менно с проследяването се пресмята загражданата от контура
площ, дължината на контура, координатите на центъра на тежест-
та и максималната и минималната дължина на контура по по-
сока на координатните оси. Тези параметри осигуряват количе-
ствена информация за обекта, конто по-нататък ще се използува
в структурно™ описание. В резултат от работата на алгоритъма
за отделяне на контурите дадена сцена се преобразува в краен
брой от контури, като на една височина може да има ня колко
75
Фиг. 3.25
76
контура. След това се анализира принадлежността на контурите
към едно или повече тела. Поради ограничените размери на так-
тилния сензор не винаги контурите се затварят. В този случай
се формира непълен граф, като се предполага, че целият обект
ще се появи при следващите опипвания на сцената в други по-
зиции на тактилната глава, при което се обединяват по няколко
непълни графа.
Таблица 3.6
Входна посока на указателя на контура и конфигурация точки на блоковете от Изходна посо- ха на указателя
0 ! X X X 0 X X X
0 0 0 0 X 1 0 X 0
X 0 X 0 X 0 1 X 0 t
0 0 X I 0 0 ч X X ч - X 1
0 0 0 0 0 1 X 0 х
X 1 0 X X X 0 X X
0 0 01 X X 0 X X
0 X 0 X 0 X 0 X
В табл. 3.6 е представен указателят на контурите. Кръстчета-
та и кръгчетата представят две различии стойкости на височина-
та, като кръстчетата сьответствуват на по-голямата височина.
Отделните точки от тактилната информация се изследват чрез
проверяване па 4 съседни точки от указателя. В таблицата са по-
казани всички възможни комбинации. Сканирането се извършва
по редове, докато указателят не излезе извън матрицата (при не-
пълен граф) или се върне в началната точка на контура (затворен
контур). За всяка комбинация в таблицата е показана входната
и изходната посока на указателя, определени по правилото, при
което по-високите точки остават вляво на движението на указа-
теля.
Изключение правят блоковете с диагонално разположени точки
(третата колона). При тях изходната посока също зависи от вход-
ната, но проследяването не трябва никога да започва от такова
място на матрицата. Указателят на контура е много прост като
принцип. Основното му качество е получаването на затворена и
77
непрекъсната крива на контурите. На фиг. 3.26 е показано дей-
ствие™ на указателя при две съседни области. Указателят при-
тежава и едно допълнително свойство—може да различи две почти
допиращи се тела.
* ~ ^7
Фиг. 3.26
След отделяне на контурите се преминава към втория етап от
обработката на тактилната информация—структурного описание на
обектите. На фиг. 3.27 е показана примерна сцена, съставена от
няколко обекта. С /i;(i=0, 1, 2) са означени височините на отдел-
яйте контури, стреляйте показват посоката на проследяване на
Фиг. 3.27
контурите от указателя, а цифрите от 1 до 7 описват реда, в кой-
то са изведени контурите. Различават се три части на сцената,
едната от конто се намира вътре в другата. На фиг. 3.28 са пока-
зани структурните графични описания на трите части. В слу-
78
чайте, когато някоя част от детайл остава извън сензора, т. е за
нея е формиран непълен граф, не се обработва на този етап. В
табл. 3.7 е показан форматът, по който се извършва построяване-
то на дървото на сцената от фиг. 3.27. За всяка от трите части се
Фиг. 3.28
формират две колони: в първата са внсочините на контурите със
своите номера, а във втората включващите ги контури. (Ако няма
включващ контур, се записва нула.) Съставянето на дървото се
извършва на три етапа:
формира се базова дървовидна структура без информацията
за общи сегмента;
отстраняват се контурите, конто могат да са резултат от малка-
та разделителна способност на тактилния сензор;
анализира се информацията за общите сегмента на контурите.
На фиг. 3.29 е показана блоковата схема на алгоритъма за фор-
миране на структурното описание. Всеки контур трябва да влезе
в един от списъците, съотвегствуващи на всеки детайл (както на
табл. 3.7). Такава процедура лесно се програ.мира на ЕИМ.
Таблица 3.7
Час г 1 Част 2 Част 3
Номер Номер на на включващия контура контур Номер Номер на Номер Номер на ; включващия контур
на включващия на контура
контура контур
4 0 5 0 7 2
1 4 3 7
2 1
6 4 1
79
Фиг. 3.29
во
Контур, конто се записва като включващ, трябва да загражда
по-голяма площ от включвания. Алгоритъмът започва с подреж-
дане на контурите по реда на намаляване на площите им. Следо-
вателно на първо място в списъка се намират най-вероятните
включващи контури. За всеки детайл периферният контур заема
първо място в списъка, а контурът на вдлъбнатина или отвор мо-
же да загражда само детайл, намираш, се вътре в него. Когато има
контур, който не е заграден, но не е и периферен, е налице непъ-
лен детайл. Такъв контур се поставя в началото на нов списък,
означен като непълен. На този етап сцената се описва чрез опре-
деляне на критерии за отделяне на главните белези на контура,
конто да отстранят ефекта от разделителната способност на сен-
зора. Използува се методът на смесване със съседни „главни"
области, т. е. в списъка не се записва съответният контур. Крите-
рият е: ако две съседни области имат разлика във височините, no-
малка от разрешаващата способност на сензора, тези две обла-
сти се сливат. Два контура могат да се смесят само ако единият
непосредствено загражда другия, т. е. между тях няма други кон-
тури. Височината на резултатния контур ще приеме стойността
на височината на заграждащия контур. По този начин се избягва
погрешно разпространяване на смесването във вид на формиране
на концентрични области с постепенно нарастваща или иамаля-
ваща височина.
Всеки контур в списъка на детайлите се получава от смесване
с други контури, като погълнатите контури се отстраняват като
излишни. След переднего смесване номерата в списъка се проме-
а) б)
Фиг. 3.30
нят по съответния ред. На фиг. 3.30 е показан ефектът от смесва-
нето на концентрични контури с височини 2, 3, 4, 3 и 4 (фиг. 3.30 а).
Резултатът от смесването е показан на фиг. 3.30 б. По този начин
€ Сензорни у-ва за роботи
81
се премахва излишната информация, като се запазват главните
черти на сцената.
Последната операция се състои в поставянето на връзките в
дървото между двойките контури с общи сегменти. В списъка към
номера на контура с по-малка площ се записва номер ът на дру-
гия контур. Следователно всеки контур се описва с номер на кон-
тура, номер на заграждащия го контур, минималната и максимал-
ната височина и номерата на всички контури, конто са по-големи
и имат общи сегменти с него.
Разгледаните алгоритми могат да се използуват не само за
обработка на тактилна информация, а също и за друга, получена
чрез сканиране в матричен цифров вид (напр. с лазерен лъч, с
телевизионна камера и др.).
3.3.2. Алгоритъм за обработка на тримерна тактилна
информация
На фиг. 3.31 е показана постановката на задачата за разпозна-
ване на тримерни обекти с помощта на двойка тактилна глава от
разгледания иглов тип. Матриците от тактилни датчици са раз-
Десен сензор
Ляв сензор
ОБеит
Фиг. 3.31
положени успоредно на равнината ZY и са закреиени върху левин
и десния палец на хващача на манипулатора. Така конструира-
ният тактилен сензор се придвижва по оста X и формира инфор-
82
мация за обект, попаднал между двата палеца, във вид на после-
дователни сечения, успоредни на равнината ZY. Двата сензора
разполагат с по пхт иглови датчика. От дължината на работния
Фиг. 3.32
ход на иглите зависи способността за анализ на сензора по отно-
шение на размерите на обектите. Например за сферичен предмет
ограничението се дефинира като запазване на порядъка на радиуса
на сферата и дължината на иглата — което е илюстрирано
с фиг. 3.32.
Блоковата схема на сиапемита за управление на тактилната
глава е показана на фиг. 3.33. Механичиата част представлява
манипулатор с три степени на свобода, всяка от конто се управля-
ва от централното процесорно устройство ЦПУ, цифрово-аналогов
преобразувател ЦАП, сервоусилвател У и постояннотоков дви-
гател. Всяка степей осигурява линейно преместване по осите X,
Y и Z. Върху оста X е монтиран потенциометър за измерване на
двнженпето на палците па хващача (при обработката на тримерни
обекти). Информацията от потенциометричния датчик за поло-
жение се иреобразува от АЦП исевъвеждав ЦПУ. С помощта на
специален блок регистър-мултиплексор Р—М информацията от
двете матрици, съответствуваща на 2 . (п;лг) двупозиционни еле-
мента, също се ирехвърля в паметта на ЦПУ. За въвеждане на
програмите за обработка се използува четец от перфолента
Ч-ПФЛ, а за осигуряване на двупосочен диалог между човека и
ЦПУ в системата е включен телетайп ТТ. Освен обмен на цифро-
ва информация от и към ЦПУ ио интерфейса на ЦПУ се подават
и управляващи сигнали за синхронизиране на работата на раз-
личните устройства. Като тактилен сензор може да се използува
83
главата от фиг. 3.17 и схемата за управление от фиг. 3.20, при
което връзките между ЦПУ и сензора ще намалеят от 2 . (пхт)
на 2.(пЦт). Това се дължи на използуването на възбудителни и
четящи намотки за сканирането на тактилната матрица. При ма-
трици от 8x8 елемента в двата случая се получават съответно 128
Фиг. 3.33
и 32 пиши. С увеличаването на елементите в матриците тази разли-
ка рязко се увеличава (напр. при 16x16 се получава вече
512 и 64).
Системата за обработка на тактилна информация за целите на
разпознаването на тримерни обекти се нуждае от съответно лро-
грамно осигуряване. В случая то се състои от няколко групи
программ:
программ за въвеждане на тактилната информация за обработка
в ЦПУ, отделяне на точките, конто са се включили при послед-
ното придвижване на палците по оста X (т. нар. активни точки)
от цялата информация, и преобразуване на данните в тримерна
форма (с отчитане на стойността на координатата X);
програма за ротация на координатите на обекта, конто по-
зволява образът му да се наблюдава от всяка посока;
програма за отделяне на точките, конто формират тримерен кон-
тур на обекта;
програма за извеждане на резултатите от разпознаването вър-
ху телетайпа на системата.
На фиг. 3.34 е дадена блоковата схема на алгоритъма за обра-
84
ботка на тримерна тактилна информация според разглежданпя
метод. Всеки блок от алгоритъма решава самостоятелна задача
със значителна сложност.
Отделянето на активните точки се извършва с помощта на ло-
гическата операция „Изключващо ИЛИ", конто се означава със
Фиг. 3.34
Резултат
П-1
-К - включен сензор
Фиг. 3.35
Фиг. 3.36
знака ф. На фиг. 3.35 р илюстрирано действието й. Тя се прила-
га върху целия масив от точки на двете групп датчици поотделно
за последнего и предпоследнего сканиране на матриците. По то-
зи начин не могат да се анализират обекти с вдлъбнатости по по-
върхността. В случая се разглеждат изпъкнали тела с правилна
геометрична форма: конуси, цнлиндри, сферичпи и кубични те-
ла, конто лежат с плоската си страна върху равнината XY.
Контурите на телата се образуват от следните характернн точ-
ки, включващи се в тактилната информация (фиг. 3.36):
всички точки (У), конто определят максималната и минимална-
та стойност по координатата Z;
точките (2), конто определят крайните ръбове по оста К;
85
точките (3), конто определят максималната и минималната стой-
ност по координатата X.
Контурите на отделяйте сечения могат да се определят и чрез
подходяща обработка на двоичната матрица с размерност (п X т),
конто се образува от проверката на състоянията на двупозицион-
ните иглови тактилни датчици. Това е т. нар. изходна матрица R:
R: п X т;
г (г, у)—1 или 0.
10 0 1
110 1
0 10 0
10 10
Вдясно от описателя на матрицата е показан пример с размер-
ност 4x4. За по-нататъшната обработка матрицата R се раз-
ширява до матрицата R:
0 0 0 0 0
R:(п+ 1)Х('«Ф1); 0 10 0 1
г (Z, 7)=0. ако 1 = 1 или /=1; R=01101-
г (/,;)=г (г-1, у-1), за/,/+!. 0 0 100
0 10 10
Формира се напоре изместена матрица R', с помощта на която
се търсят хоризонталните линии от контура чрез матрица от хо-
ризонтални линии Н:
0 1 0 0 1
R : (л Ф 1) X (т +1); 0 1 1 0 1
г' (i, y)=r(i-pl, j), ако гф/гЦ-ь R'= 0 0 1 0 0
г'(/гф1, у)=0. 0 1 0 1 0
0 0 0 0 0
Матрицата Н се формира чрез прилагане на операцията „Из-
ключващо ИЛИ" над сьответните елементи на матриците R и R':
0 10 0 1
H = R©R'; 0 0 10 0
V И - 0 10 0 1
h(i, y)=r(z, y)©r (z, j). 0 1110
0 10 10
След това аналогично се образува помощна, вляво изместена
мат рица R" за изчисляване на вертикалната матрица на контура V :
86
r" (i, J) - r (A j +1), за уф т +1;
r"(z, m-f-l)=O.
0 0 0 0 0
100 1:0
R”= 1 1 0 0Ф
0 10 0 0
10 10 0
0 0 0 0 0
У:(л + 1)х(/п-ьГ); 1 1 0 1 1
V = R(x)R"; V = 1 0 1 1 1
v(z, y) = r(z, j)©r"(z, j). 0 1 1 0 0
1 1 1 1 0
Матриците H и V представляват своеобразен указател на кон-
тура съответно в хоризонтална и вертикална посока. Съществу-
ват (пф1) х(т+1) пресечни точки, в конто указателят трябва да
«определи в коя посока да продължи проследяването на контура.
Точките са два вида: особени. и неособени. При попадане в неосо-
бена точка има само една възможна посока за продължаване на
отдел я пето на контура (с изключение на тази, по която вече е пре-
ми нато). В особените точки има две посоки и за да се избере една
от тях, се използува правилото за завой надясно по посока на
движението. Проследяването започва от най-горната лява точка
(1,1) и продължава надолу по стълба (/=1) по посока, обратна на
часовниковата стрелка. За да не се проследява два пъти един и
същи контур, анализираните точки се изтриват от паметта. Това
е удобно при програмирането на процедурата, защото се изпол-
зува една и съща памет за анализ на всяка следваща матрица.
Два контура могат да имат само една обща точка и тя е особена.
Проследяването продължава, докато се достигне изходната точ-
ка на текущо отделяния контур.
Откриването на контур, който загражда отвор в обекта, се из-
вършва по следния начин. Ако се намираме в точка (i, j) и съот-
ветната стойност V (/, /+1)=1 или Н (1ф1, /), проверява се стой-
ността на r(t, /). Ако тя е равна на нула, вътрешната част на кон-
тура е по-ниска от външната и следователно загражда отвор.
Процесът на отделяне на контурите дава допълнителната въз-
можност за определяне на площта, заграждана от контурите и
тяхната дължина. При отделянето на контурите се спазват и
следните правила: външен контур е този, който е напълно загра-
ден от контур на по-ниско ниво, а вътрешен контур е този, който
е напълно заграден от контур на по-високо ниво.
87
Разпознаването на тримерни обекти с помощта на матрични
сензорни устройства, използуващи 2 . (пхт) двупозиционни игло-
ви тактилни датчици, изисква по-нататъшно развитие на след-
ните проблеми:
1. Подобряване на сигурността на сензора и алгоритмите за
първична обработка на тактилната информация.
2. Разработване на алгоритм!! с по-голяма скорост.
3. Разработване на алгоритм!! за класификация въз основа на
резултатите от първичната обработка на тактилната информа-
ция. Тук се има пред вид превръщането на определен брой конту-
ри и техните параметр!! (височина, площ и периметър) в решение
за типа на обекта и неговите параметри: координата на центъра
на тежестта, габаритни размери, необходима ориентация на хва-
щача за правилно манипулиране с този обект и др.
88
Глава 4
ЛОКАЦИОННИ СЕНЗОРНИ УСТРОЙСТВА
За да се повиши надеждността и скоростта на изпълнение на
работайте операции, хващачът на роботите се снабдява с без кон-
тактам чувствителни елементи от типа на ултразвуковите и све-
толокационните сензори. Същите типове сензорни устройства се
използуват за определяне на разстояние до различии точки на
работаете пространство с голяма точност и скорост.
4.1. АКУСТИЧНИ СЕНЗОРНИ УСТРОЙСТВА
Най-простият акустичен сензор, конто се използува вече масо-
во в промишлените роботи, е ултразвуковият сензор за очувстея-
ване на хващача на манипулатора. Функционалната схема на
ултразвуков сензор е показана на фиг. 4.1. Неговият принцип на
действие се основава на акустичната локация на- пространство™
в близост до хващача (0,01-4-0,7 ш). Ултразвуковият генератор
У Г изработва късн единични импулси с ултразвукова честота.
Тези колебания нрез комутиращото устройство КУ постъпват в
Фиг. 4.1
електростатична капсула ЕК, чиято мембрана под действие на
електростатичното поле се деформира и излъчва във въздуха
ултразвуков импулс. След отразяването от обект или препятствие
този импулс се възприема обратно от същата капсула. През КУ,
което след излъчването е превключено в режим на приемане, прие-
89
тият импулс постъпва в усилвателя У. За да се избегне лъжливо
задействуване, входът на усилвателя се запушва с импулса от
У Г по време на излъчването. Импулсът от усилвателя се подава
към преобразувателя ПР, който формира импулс с продължител-
Фиг. 4.2
ноет, равна на интервала от време между излъчения сондиращ
импулс (който пуска ПР) и приетия импулс. Тази продължител-
ност е пропорционална на разстоянието до открития обект. Ултра-
звукови сензори от този тип имат грешка при измерване на раз-
стояние не повече от 2%, бързодействие до 10 ms и повърхнина на
излъчващата мембрана 80 пни2.
Ъгълът на насоченост на диаграмата на излъчване на един сен-
зор е около 60°. Върху хващача на манипулатора на робота се
монтират няколко ултразвукови сензора от такъв тип.
За измерване на разстояния от 0,1 до 5,0 ш във въздушна или
водна среда със средна точност могат да се използуват ултразву-
кови далекомери, конто имат предимства спрямо оптическите и
радиолокационните, особено под водата. На фиг. 4.2 е показана
функциоиалната блокова схема на стереофоничен ултразвуков
локационен сензор за определяне на разстояние. Той се състои от
два еднакви канала с функции, аналогични на ултразвуковия
сензор от фиг. 4.1. Въведените изменения увеличават далекобой-
ността на сензора. Сондираието на пространство™ се извършва с
пакет от синусоидални импулси с ултразвукова честота, конто
се изработват от генератора У Г. Излъчвателят И на сигналите е
отделен конструктивно от двата приемника П1 и П2. Всички те
могат да бъдат от типа на електростатичната капсула. За да се
увеличи насочеността на далекомера и да се намали влиянието на
шумове, приемниците са разположени на дъното на рупори-въл-
новоди. В общ корпус с всеки приемник са разположени предвари-
телните усилвателя на отразените сигнали ПУ1 и ПУ2. По-ната-
90
тък приетите сигнали се усилват в настроени усилватели-форми-
рователи УФ1 и УФ2, конто се намират в блока за обработка на
сигналите. Те са настроени на честотата на сондиращите импулси,
което значително повишава шумоустойчивостта на сензора. От
усилвател-формирователя на всеки канал импулсите постъпват в
преобразувателите ПР1 и ПР2, конто формират широкоимпулсно
модулиран сигнал с продължителност, пропорционална на раз-
стоянието до отразяващата повърхност (обекта). Формнраните
импулси се запълват с импулси с еталонна честота, изработвани
от импулсен генератор ИГ. Стробирането се извършва в ключови-
те схеми Д7 и Д'2. Импулсите, получени на изхода на ключовете,
се преброяват от броячи БР1 и БР2, като по този начин се полу-
чава стойността на разстоянието в цифров код, който се записва
в паметта на ЕИМ. Сравняващото устройство СУ сравнява про-
дължителностите на широчинно-модулираните импулси на два-
та канала и в зависимост от знака на разсъгласуване подава управ-
лявашо напрежение на изпълнителния двигател ДВ, който с
помощта на редуктор Р завърта приемно-предавателната част на
ултразвуковия локационен сензор дотогава, докато обектът се
установи по оста на локатора, т. е. при равни разстояния от обек-
та до П1 и П2. В това положение се отчита стойността на ъгъла
на въртене, получен като изходен сигнал от датчика за положе-
ние ДП. Този ъгъл определи азимутната посока към обекта в
работната облает. При използуване на три канала се получава
възможност за определяне на сферичните координати на обектите
в пространството: азимутен ъгъл, разстояние и ъгъл на положе-
ние™ по вертикала.
Далекомер от описания вид има грешка при измерване на раз-
стояние ztl% и разрешаваща способност на разстояние I m—
сфера с диаметър 160 mm.
4.2. Оптически сензорни устройства
На фиг. 4.3 е показана функциоиалната блокова схема на опти-
чески локационен сензор. Светлинният поток, създаван от лампа
с нажежаема жпчка Л, се модулира по напрежение с честота от
генератора Г. След като премине през диафрагмата Д, светлинният
поток се излъчва в пространството. При наличие на препятствие
светлинният поток се отразява. Част от отразената светлина по-
пада върху фотоприемника ФП, усилва се от настроен на честота-
та на модулиращия генератор усилвател У и след детектиране с
детектора Д постъпва в праговото устройство ПУ. Ако нивото
91
на приетия сигнал е над зададеното прагово ниво Un, ПУ изработ-
ва сигнал, пропорционален на измерваното разстояние. Такъв
оптически сензор за очувствяване на хващача на роботи се изпол-
зува при разстояние на задействуване: 0,03-н0,07 ш; време за за-
действуване— средно 30 ms. Той има максимална грешка 30%.
Благодарение на простого си и компактно устройство този тип
сензори са основен елемент на експерименталните роботи от тре-
то поколение със сензори от дистанционен тип с близко действие.
Те имат и никои съществени недостатъци, напр. влияние от из-
мененията на нивото на външната осветеност на работною про-
странство, от измененията на прозрачността на средата, различ-
ните оптически свойства на обектите, малка точност. Най-често
този тип дистанционни оптически сензори се използуват за от-
криването на наличието на обект между палците на хващача по
принципа на двоичната логика (има или няма иресичане на оптич-
ния поток от обект).
За измерване на геометричните параметри на обекти, намиращи
се в близост до робота (до 2-нЗ т), е необходима голяма разре-
шаваща способност на сензора, което при ултразвуковите методи
е невъзможно. За тази цел не е подходяще използуването и на фа-
зови лазерни далекомери поради ниското им бързодействие за
сканиране на изображенията. Такава задача се решава успешно
с използуването на т. нар. паралактичен лазерен далекомер
(фиг. 4.4). В модулатора М се формират токови импулси, конто
захранват излъчвателя И — полупроводников лазерен диод от
галиев арсенид (GaAs). Лазерният лъч се фокусира от обектива
ОБ{ и попада върху въртящо се огледало за редова развивка на
лазерния лъч При отразяване на лъча от повърхността на
обекта той попада върху огледалото О.,, което се върти синхрон-
но с огледалото Ох. След това отразеният светлинен сигнал пре-
минава през приемния фокусиращ обектив ОВ2, през интерферен-
92
ционен филтър Ф и попада върху фотоприемника ФП. Фотоприем-
никът представлява линеен полупроводников фоточувствителен
прибор, който дискретно регистрира отместването на лазерния
лъч по посока на линиите на развивка на изображението. Сигна-
фиг. 4.5
лът от ФП се усилва от усилвателя У и постъпва по-нататък в
блоковете за обработка на информацията.
Принципната оптическа схема на лазерния далекомер е пока-
зана на фиг. 4.5. Тя се състои от два канала: предавателен и прие-
мен. Разстоянието d между обективите ОБ1 и 0Б2 на излъчвате-
ля и приемника представлява базата на далекомера. В процеса
на работа взаимного положение на обективите не се измени. В
предавателния канал излъчващият лазерен източник е ориентиран
по посока на оптическата ос на обектива О/ц. Далекомерът се на-
сочва към обекта с помощта на системата от огледала 0г и О2,
която се завърта на ъгъл р. Така лъчът се насочва винаги в точ-
ката N, която съвпада с точката на пресичане на оптическата ос
на обектива OEt с повърхността на обекта или опорната равнина
(при анализиране на релефа на пространството пред подвижни
роботи с дистанционно управление). Аналогично в приемния ка-
нал изображението на N се намира на линията, свързваща опти-
ческите оси на двата обектива. Тъй като взаимного положение на
предавателния и приемния обектив е неизменно, и положение™
на отразения лъч върху линейната скала ЛС, която представля-
ва линията на изображението, ще бъде фиксирано по отношение
на обективите. Отместването на изображението на точката на лъча
по скалата на ФП от мястото N' в точка N, е мярка за разстоя-
нието до точката на измерване по дължината на оптичната ос на
обектива 0Б2. По отместването N'Ni и ъглите на сканиране а и
Р може да се изчислят декартовите координата х, у и z на коя да
93
е точка от обекта N. За целта се определи наклоненото разстоя-
ние lN до точка N по формулата на Нютон:
(4.1) lN.l’N=f2,
където f.2 е фокусного разстояние на обектива в приемния канал
ОБ2; /дг — разстоянието до изображението на точка N в про-
странство™ на изображението, което се определя от нзраза
(4.2) /дг=/0 -f-A/Wi. cos у',
където
(4.3)
За даден обхват на измерване променливият параметър в из-
разите (4.2) и (4.3) е отсечката N'Nt, а останалите величнни са
постоянни, Като се заместят (4.2) и (4.3) в (4.1), се получава фор-
мулата за изчисляване на наклоненото разстояние lN:
(4-4) -------
o+yVWl cos Т'
От триъгълника LMNP се определи действителното наклонено
разстояние /:
(4.5) l=^l?N+cP.
След като са известии ъглите в текущия момент а и р и е опре-
делено действителното разстояние / до точката N, декартовите коор-
дината на тазн точка ще бъдат
(4.6) xN- I cos р sin a; yN—l cos $ cos a; zA,=/sinp.
Далекомер от този тин има обхват на измерваните разстояния
1,0-ь 3,0 ш и грешка при измерване на координатите на харак-
терните точки па обектите до 1%.
Макар и по-рядко (само при подвижни роботи), се налага обек-
тивно измерване на скоростта на преместване на робота по отно-
шение на околното пространство. Един от най-точните методи за
решаване на тази задача е корелацпонният. Той се състои в авто-
матично изчисляване на корелационната функция на отразените
сигнали, получени от две точки на повърхността, относно която се
извършва движението, и в определяне на времето на закъснение
между тези сигнали. Корелацпонният метод за измерване на ско-
рост е безконтактен и много точен.
94
На фиг. 4.6 е показана функционалната схема на корелационен
оптически измерител на скоростта на преместване на робот. Два
процепни светлинни източника и Л2, разположени един зад
друг върху корпуса на робота на разстояние I по надлъжната ос-
Фиг. 4.6
на корпуса, излъчват светлинни снопове, фокусирани върху външ-
ната повърхност. По време на движение поради структурната неед-
нородност и релефа на повърхността яркостта на светлинните иви-
ци се измени. Изображението на ивиците се възприема от опти-
ческа система и се подава на фотоприемниците ФПГ и ФП2. По-
неже втората ивица е отместена по отношение на първата в посо-
ка на движението на разстояние /, сигналът /Д/), който характе-
ризира яркостта на първата ивица, ще се повтори по време на от-
разиване на втория щрих от същото място на повърхността с из-
вестно закъснение тА, т. е. вторият сигнал f2(t) по форма ще бъде
подобен на иървия сигнал:
(4-7)
Взаимио-корелационната функция на двата сигнала /С(т) е от
вида
(4.8) ЛГ(т)=Л1[/1(/-т)/2(/)]=Л(г-тД.
Функцията /<(т) има максимум при т=тА, където т е въвежда-
но регулируемо закъснение. Тя се реализира с помощта на блок
95
за умножение БУ на fx(t—т) и /2(т) и след това се изглажда с
интегриращ филтър ИФ. Скоростта на движение на робота е
(4.9) г-Л-
По-висока ефективност за реализиране на автоматичен корела-
тор се получава при използуване на двойни релейни корелацион-
ни функции. Заменят се непрекъснатите функции f^t), f2(t) с ре-
лейни функции от типа sign (знакови). Методът позволява със срав-
нително прости апаратни средства да се определи максимумът на
корелационната функция на случайни аналогови сигнали. Двой-
ната релейна автокорелационна функция има вида
г
(4.10) К(т) = 11П1 у f sign [/(/)] X sign [/(/+?)]
Т-~)сх> J
О
В този случай моделирацето на операцията умножение в схе-
мата на корелатора не е вече сложен аналогов умножител, а про-
ста схема на съвпадение (компаратор). Блоковата схема на ди-
ференциален корелационен скоростей сензор е показана на фиг. 4.7.
Сигналите fa(t) и /2(0 постъпват от изходите на усилвателите Ух
и У2 на формиращите устройства за sign-функциите и Ф2. От
изхода на Фг sign-сигналът fa се подава на преобразувател ПР на
Фиг. 4.7
sign-сигналите в импулси, съответствуващи на нулевата стойност
на sign-сигналите. От изхода на ПР сигналът fa се подава на схе-
мата за формиране на грубата задръжка г', а след това и на схе-
96
мата за точна задръжка т. Сигналът fi (Н-т'+т) се раздела на
два канала: единият със задръжка тт по време, а вторият — със
задръжка т2. Така задържаните сигнали се подават на формира-
гците тригери 7\, Т2 и след това на двете схеми за съвпадение ССг
и СС2, конто управляват електронния ключ £/<. Ключът служи
за зареждане на интегриращия кондензатор С, чийто заряд е
пропорционален на времето на включване на ЕЕ. Напрежението
на този кондензатор управлява схемата за точна задръжка т и
в същото време е пропорционално на скоростта на движение на-
робота и.
4.3. СЕНЗОРНИ СИСТЕМИ ЗА ВЪЗПРИ1ЕМАНЕ И АНАЛИЗ
НА ГОВОРНИ СИГНАЛИ И КОМАНДИ
Системите за цифрова обработка на говорни сигнали с а пред-
назначени за осъществяване на връзката оператор—робот в усло-
вия, максимално близки до естествения за човека езиков начин
за общуване. По начина на използуване на резултатите от обра-
ботката на звуковата говорна информация се развиват три отдел-
ки направления: системи за синтез на говорни сигнали, системи
за идентификация на източника на говорни сигнали и системи за
разпознаване на говор.
Системите за идентификация на източника на говорни сиг-
нали се използуват за отделяне на един от множество диктор и,
като крайният резултат се получава в двузначен вид: „да“ или „не“.
Такава проверка се налага при необходимост от защита и блоки-
ровка на роботите или други автономии системи срещу неправил-
но подаване на команди.
Системите за синтез на говорни сигнали се използуват за из-
веждане на информация иса част от диалоговата система „въпрос—
отговор" на роботите от трето поколение, т. е. те осъществяват
връзката в посока робот — оператор.
Системите за разпознаване на говорни сигнали се развиват в
посока на все по-пълно и по-точно синтактично и семантично въз-
приемане и „разбиране" на разделно или слято произнесени изра-
зи. Всяка конкретна система от този тип се изгражда на базата на
предварително зададени условия, напр.:
вид на говорните сигнали: изолирано произнасяни думи или
слята реч;
брой на операторите, конто могат да работят с такава систе-
ма (един, няколко или неограничен брой);
състояние на околната среда по време на работа на системата за
7 С ензорн и у-ва за роботи
97
разпознаване: звуково изолирано помещение, чрез микрофон за
връзка, без ограничения и др.;
големина на речника от разпознавани звукосъчетання (с огра-
ничен речник от 1 до 20 думи, средно развит речник до около 100
думи и с разширен речник);
Фпг. 4.8
наличие и степей на възможности за обучение.
Основната и най-трудна част е семантичният анализ на съобще-
нията, което е тясно свързано с моделирането на изкуствения
интелект на базата на ЕИМ.
На фиг. 4.8 е показана структурата на система за разпознаване
на говорни сигнали. Тя се състои от следните блокове:
АС — акустичен сензор за възприемане на звуковата инфор-
мация, подавана от човека-оператор.
БПВИ — блок за преобразуване и въвеждане на информацията
в ЕИМ. Той включва процеса на дискретизация на говорните сигна-
ли, прекодиране, форматиране и формиране на масив от двоично
кодирани стойкости, съответствуващи на входния звуков сигнал.
БОГТ — блок за определяне на граничните точки. В него се
98
отделят думите от фоновия шум, конто придружава входното
съобщение.
БНЗС — блок за нормализация на звуковите сигнали. Той
има за цел такава обработка на говорннте сигнали, при която да
съвпаднат по време съответните характерни участъци от различ-
ните произнасяния на една и съща дума. Тази обработка опреде-
ли в значителна степей надеждността на алгоритъма за разпозна-
ване.
БППИ — блок за параметрично представяне на информацията.
В този блок се отделят информативните характеристики на сигнала,
въз основа на конто се извършва разпознаването.
БФЕ — блок за формиране на еталони. В режим на обучение
на системата за разпознаване въвежданата говорна информация
след преминаване на всички етапи на преобразуване и обработка
се използува за създаване на еталонни матрица за всяка дума от
речника на системата.
РЕД — речник от еталонни думи, формиран по време на обу-
чение на системата.
БС — блок за сравнение. В режим на разпознаване в него се
сравняват съответните характеристики на входното съобщение с
всяка от еталонните думи до откриване на максимално съвпаденне.
БК — блок за класификация. В него се анализират резул-
татите от сравнение™ в БС, а след синтактичното формиране на
цялото съобщение се извършва семантичната му интерпретация.
БИР — блок за извеждане на резултата. Този блок осъществява
връзката с оператора в съответен вид (отпечатване с печатащо
устройство, показване върху дисплей или синтезиране на говор-
но съобщение). Паралелно с извеждането на резултата се подава
информация и към подсистемата за планиране на работата на ро-
бота.
При реализацията на всеки блок в структурата на системнте за
разпознаване се използуват различии алгорнтми. Така например
според типа на параметъра на говорния сигнал, конто се изпол-
зува в БОГТ, обработката се извършва:
1. По ниво: използува се за приблизително определяне на на-
чалната и крайната гранична точка чрез фиксиране на моментите
от време, в конто сигналът надвиши или спадне под дадена праго-
ва стойност. Праговата стойност се избира по-голяма от нивото на
фоновия шумов сигнал. При метода за отделяне по ниво трябва
да се има пред вид, че говорният сигнал за една дума може да има
участъци, за конто нивото на информационния сигнал е съизме-
римо с нивото на шума. Това са т. нар. паузи, дължащи се на сла-
би фрикативни или взривни съгласни. Средната дължина на така-
99
ва пауза е около 100 ms. Този метод има проста реализация, но
поради ниската точност се използува в комбинация с други ме-
тода.
2. Чрез следене на енергията на сигнала: методът използува
факта, че енергията на говорния сигнал и в най-тихите участъци
на думата (паузите) превишава енергията на шумовия фон.
3. По скорост на преминаване през нулата: по този метод могат
да се определят с голяма точност началните точки на думи, кон-
то започват със слаби фрикативни съгласни.
4. Чрез изчисляване на автокорелационната функция на сигна-
ла: установяването на периодичност в автокорелационната функ-
ция определи наличието на участък от звучни гласни в думите,
което допълва резултатите, получавани по другите методи.
Временната нормализация на говорния сигнал в БНЗС може
да бъде извършена по два начина:
Чрез подходяща сегментация на думите: тя може да бъде равно-
мерна или неравномерна, като се отчитат акустичните характе-
ристики на съвпадащите по време сегмента от различите изго-
варяния на един и същи думи. Този вид нормализация по време е
проста и лесна за реализиране, като основно изискване е да бъде
съобразена с фонетичните особености на съответния език с оглед
да се избере оптималната дължина на сегментате.
Чрез изкривяване на оста на времето: обикновено се използува
линейно изкривяване на временната ос чрез динамично програ-
миране. Целта на този процес е постигането на по-добро съвпаде-
ние между звуковия сигнал и неговия еталонен образ.
За реализиране на процеса на разпознаване в БППП се изпол-
зуват различии методи за обработка на преобразувания говорен
сигнал:
с нзползуване на временная спектър на сигнала (клипиране);
с нзползуване на фонетичните характеристики на базата на
обвиващата крива на сигнала;
с използуване на спектралните характеристики на сигнала;
с комбинирано използуване на различии временни и честотни ха-
рактеристики на говорните сигнали;
линейно предсказване и т. н.
Предлаганите в последите години методи за разпознаване на
говорни сигнали по характера на използуваните алгоритми могат
да се разделят на детерминирани и статистически. И двете гру-
пп използуват или разпознаване на фонеми, или на цели думи със
или без използуване на лингвистични връзкп, свойствени на съот-
ветния език.
100
Алгоритмите за разпознаване въз основа на статистическите
решения използуват при идентификацията главно максималната
апостериорна вероятност за принадлежността на дадена реали-
зация, като се отчитат матриците на грешките при разпознаване.
При детерминираните метода идентифицирането на пресичащи
се по един или повече признаци образ и е невъзможно. Приложе-
ние™ им е ограничено поради голямата им сложност, въпреки че
но принцип по съответно формирана обучаваща поредица може
да се реализира до 100% разпознаване.
За задачите за управление се използуват изключително детер-
миниранитё алгоритми, конто осигуряват разпознаването на от-
деляйте команди от ограничена съвкупност, а в по-сложнн слу-
чаи и на трупа команди с отчитане на семантичната връзка между
тях. Процесът на разпознаване на говорни команди има няколко
етапа:
преобразуване на говорния сигнал в електрически чрез раз-
личии акустични сензори (микрофони, ларингофони или датчи-
ци за налягането на въздушната струя пред устата или носа на
говорещия);
отделяне на признаците на говорните сигнали във вид на сигна-
ли за управление на различии вокодерни системи, сигнали за
моментната амплитуда A(t) и моментната честота p(f) на говорния
сигнал и други временни зависимости, необходима за съответните
методи на обработка;
вземане на решение за принадлежност на разпознаваната дума
или команда към съответен еталон чрез сравнение и анализ на
получените признаци.
От посочените три етапа на процеса на разпознаване на говор-
ни команди в момента задоволително са разработени първият и
третият етап, въпреки че и при тях натрупаният опит не е доста-
тъчен за реализиране на пълна и обективна идентификация. За
вторият етап е характерно отсъствието на оптимални алгоритми
за избор на признаците на говорните сигнали. Един или други
параметри, използувани като признаци за описание на говорния
сигнал, засега се избират интуитивно, въз основа на опита на спе-
циалистите или чрез продължителни скъпо струващи експеримен-
ти. Обикновено има презастраховане — отделят се възможно по-
вече признаци, за да се получи най-пълно описание на сигналите.
На практика това води до значително увеличаване на паметта на
разпознаващите системи и усложняване на апаратната им реали-
зация. Така обаче намалява достоверността на разпознаване и се
увеличава вероятността въз основа на получените резултати да
се формират лъжливи командни сигнали за управление. Ето за-
101
що в случайте на системи за управление стреме жът е да се раз-
работват методи за разпознаване на ограничен брой говорни ко-
манд!! по минимален брой най-информативни параметри.
Добри резултати се получават при предварителен запис на нро-
изнесените от диктор говорни команди на магнитна лента с едно
временно нормиране ио продължителност и амплитуда, отделяне
на обвиващата крива на разпознаваната дума и след това сравня-
ване на получената обвивка с еталонни обвиващи криви. Много
добри резултати се получават, когато като признаци за разпозиа-
ване се използуват информацията за груповата принадлежност
на първата и последната фонема и честотната крива на положител-
ните и отрицателните пикове в осцилограмата на думата, а така
също и мястото на ударената гласна. Достоверно разпознаване
(99,7% за един диктор) е достигнете при съвместно използуване
на такива признаци, като броя на гласните звуци в думата, про-
дължителност на думата, положението на центровете на първия
и втория формант в началото на думата.
Ако в зоната на издаване на съобщенията има силни смущения,
полезно е като признаци да се използуват визуални данни за
движението на устните и да се снема трептенето на гласните стру-
ни с ларингофон. Говорните команди, конто се използуват за фор-
миране на командни сигнали за управление, са няколко десетки.
Ако задачата за разпознаване на такъв ред команди се постави
независимо от броя на операторите, трябва да се отдели особено
внимание на подбора на операторите по гласовите данни. При
формиране на библиотеката от еталонни признаци е желателно по
възможност да има по-голям брой изходни реализации на говор-
ни команди, произнесени от различии оператори. Тогава въз осно-
ва на изчисляване на значенията на признаците за разпознаване
и статистическите параметри на разпределението им се постига
вероятност за допускане на грешка при разпознаването, не по-
голяма от вероятността за грешки при формиране на сигналите
за управление с помощта на клавиатура, клавиши, превключватели,
потенциометр и, щифтове и др.
Ако изискването за управление с говорни команди е задължител-
но, ориентацията е към използуване на детерминираните методи
за определяне на стойностите на признаците за разпознаване при
намаляване до минимум броя на операторите, конто участвуват
при формирането на еталонния ред и в самия процес на управле-
ние на робота. Звукоразпознаващата система е най-надеждна и
конструктивно най-проста в случая на пълна речева персонифи-
кация, когато се извършва индивидуална настройка на система-
та на акустичния сензор по данните на оператора. Процедурата
102
за изчисляване на признаците за разпознаване, приети за етало-
ни, както и самата процедура за идентификация на командата също
•са изградени въз основа па детерминирани алгоритми.
Разпознаване на говорни команди по групови признаци.
Осцилограмите на звукового налягане независимо от хаотич-
ния си характер и нестабилност съдържат ясно различими неза-
висима признаци на гсворните команди. Ако сигналите на зву-
кового налягане F се разглеждат като реализации на нестацио-
нарен случаен процес, те може да се представят като сума от
произведението на информативната част на сигнала S с мултипли-
кативния шум а и адитивната част на шума
F—оХ+^.
При това сигналите на звукового налягане представляват краен
периодичен процес, чийто период е променлива величина. В този
случай адитивният шум е нестационарен случаен процес, чийто
основен източник са флуктуациите на един или други физически
величини от средните им стойности. Мултипликативният шум е
също случаен процес със средно значение, различно от нула, но
като правило представлява бавно изменящ се процес, чието дей-
ствие може да се счита за постоянно в определен интервал от
време с помощта на случайння множител а. Източник на мулти-
пликативните шумове са случайните изменения на амплитудата
и честотата на сигнала и случайно появили се нелинейни изкри-
вявания. Мултипликативният и адитивният шум възникват одно-
временно, което затруднява подтискането им и ограничава въз-
можността за подобряване на отношението сигнал — шум.
Следователно в резултат от въздействието на смущения и шу-
мове резултатният сигнал се променя произволно по амплитуда
А, честота фаза <р и продължителност на сигнала Т, т. е. F =
=f(A,(o,<p, Т). При възприемане на даден сигнал от звуковия сен-
зор винаги са налице някакви сведения за едни или други негови
физически параметри, защото липсата на такива данни прави
невъзможно различаването на сигналите от шумовете. Разпозна-
ването на логически завършени части от говорния сигнал не за-
виси от неговата начална фаза <р, поради което този параметър
може да не се взема под внимание. Продължителността на сигнала
Т има преди всичко лингвистичен характер и при разпознаване
на разделни говорни команди и подходящ подбор на дикторите
също може да не се отчита, независимо че той все пак носи ин-
формация за сигнала.
Ограничаването на мултиплицативните шумове в известии
граници и осигуряването на разпознаване на говорни сигнали
независимо от субективните характеристики на оператора (сила
103
и височина на тона) се извършва само по пътя на отделяне на
приз наци, независими по отношение на мащабни преобразования.
Такива признаци могат да бъдат например отношенията на раз-
ликите на моментните максим алии амплитудни стойкости на
Ati atl+J
Фиг. 4.9
говорния сигнал и отношенията на времеинтервалите, изме-
рени между моментите tz на появяване на тези екстремални
стойкости на амплитудата. В този случай говорният сигнал се
представя като ред двойки дискретни стойкости на посочените
признаци:
/7= {Ош Ч), (%. Ч)> • . О/, ч)> - - -, (г1п, т„)},
където
_ Aj ^/4-1 ____^z+1 tj ___ 4^/
' А+1~ А+2 ’ ‘ д^+1
Тук с А{ са означени екстремалните стойкости на амплитудите
на говорния сигнал, представен като напрежения, а с А/;- — вре-
меинтервалите между тези стойности (фиг. 4.9).
Присъствието на адитивен шум води до значителни изкривя-
вания на стойностите на независимите признаци, в резултат на
което те не могат да се използуват неносредствено за отделяне на
полезния сигнал. Ето защо отделяните признаци се класифици-
рат към даден клас при условие, че се разглеждат в определен
допустим интервал на възможните им значения. Големината на
допустимите интервали и самите признаци се получават като
резултат от статистическата обработка на говорните сигнали на
различии оператори на ЕИМ.
104
Нестационарният случаен характер на шумовете не позволява
задачата за разпознаване да се решава с допускане за компакт-
ност на класовете на образите в n-мерното пространство на приз-
наците поради изкривявания на входните сигнали. Затова вме-
сто компактност на изображенията в пространството на призна-
ците се разглежда компактност на груповите признаци (фрагмен-
та от изображения) в ,о-мерното пространство на независимите
признаци, където р<_п- На практика е достатъчно да се разглеж-
дат груповите признаци в тримерно пространство (р=3). Увелича-
ването на размерността на признаците се ограничава от ефектив-
ността и характера на шумовете.
Разпознаването на говорни команди по метода на груповите
признаци се състои в отделяне на независимите признаци и тях-
ното групиране в т. нар. групп признаци пор признака, като р>1.
Подреждането на признаците в групп позволява по-пълно да се
използува тяхното информационно съдържание. Говорният сиг-
нал се представя във вид на съвкупност от групови признаци:
{Съ и), Тр)},;
„ {(%> тз). (%> т3),...,(^+1, тр+1)}2;
{Gin—р+1> тл—/>+1)« • . zn)}n- -р+1’
където р е броят на независимите признаци в трупа, а п —• общият
брой признаци. Алгоритъмът за отделяне на избраните признаци-
на говорния сигнал се свежда до обработка на сигнала,представен
като напрежение (определяне на екстремалните стойности на
Фиг. 4.10
амплитудата и измерване на съответните им времеинтервали).
По-нататък се изчисляват разликите между съседните стойности
на амплитудата, определят се подредените двойки от отношения
105
('Hz- W 11 от получените редици от такива двойки се формират
групп от по р елемента. В процеса на разпознаване тези групови
признаци се сравняват с подобии групови признаци на еталонните
изображения, конто се изчисляват предварително и се съхраня-
ват в паметта на разпознаващата система на звуковия сензор.
Блоковата схема на сензор, който реализира такава последовател-
ност от операции, е показана на фиг. 4.10. Тя се състои от звуков
датчик 1, блок за предварително филтриране на звуковия сигнал
2, аналогово-цифров преобразувател <3, две схеми за деление на
съседните екстремални стойности на амплитудата 4 и на вътреш-
ните времеинтервали между съседните стойности 5, две схеми за
формиране на групсвите признаци 6 и 7, блок за управление 8
и процесор 9.
Разпознаване на говорим сигнали по спектралния им състав
Поради независимостта на разпознаването на говорим сигна-
ли от различии по вид фазови съотношения за описание™ (и раз-
лознаването) им е необходимо и достатъчно да се използуват енер-
гетични съотношения, получени в процеса на спектралния ана-
лиз на амплитудната и клнповата обвиваща крива (честотата на
преминаване през нулата) на говорния сигнал. Най-устойчива
информация за динамиката на движение на артикулационните
органи при произнасяне на думи е съсредоточена в инфразвуко-
вия участък на спектъра в обхвата от 0 до 20-5-25 Hz. От спектъра
на кривите се отдели постоянната съставка, конто маскира тази
част. Чрез нормализиране на говорните команди по продължи-
телност се изключва ненужного влияние на темпа на изговаряне.
Отделянето на инфразвуковия спектър на обвиващите криви и
нормализирането на спектъра по темпа може да се извърши по
два начина.
По първия начин се измерва продължителността Т на разпоз-
наваната реализация на говорната команда и след завършване на
изговарянето й се провежда инфразвуков спектрален анализ,
като се интегрират амплитудната F^t) и клиповата обви-
ващи криви:
тт
А = JJF2(i)dt,
о о
и се изчисляват постоянните им съставки
А , В
й = О — —jT- •
106
Преди спектралния анализ се центрират обвиващите в участъ-
ка 0~Т и се нормират по темпа на изговаряне:
ро (/) = щ _а; F0 (Z) _ р2 _ b. Д/< = k (Q) . Д/ .
където А/ е фактическата стъпка на дискретизацията по време;
ДЕ — условната стъпка на дискретизацията на обвиващата във
времето; k(Q)— функция, конто се определи от независимостта
на различните инфразвукови честотни съставки на темпа на го-
То
вора; а —-у,—относителната продължителност на анализираната
команда; — стандартната или еталонната продължителност,
конто се избира произволно в границите на реалната продължи-
телност на звучене на подлежащите на идентификация говорни
команди.
11нфразвуковият спектрален анализ се извършва с дискретнн
(цифрови) методи. Енергетичните спектри 5J* (Qz) и 5® (£2;) на об-
виващите криви на амплитудната характеристика F\ (tk) и на чес-
тотата на преминаване през нулата се изчисляват по фор-
мулите
5? (tk). е
А=1
N
50 (Йг>Д/' (А)
*=1
където N е общият брой на дискретните стойности на обвива-
щите криви. Центрирането на кривите е от вида
N N
Й=Л
а спектралните им функции се изчисляват по формулите
Ф?(Ц)=
r~yv та
sin (Q,£AE) ,
k =i
= Д/'
2/-T(4)-cos(Q,W)
/г = 1
107
=м
(tk).cos^2(4) > sin (Q.kM')
Недостатък на този начин на обработка е загубването на продъл-
жителността на звучене, което затруднява идентификацията в реа-
лен мащаб на времето. Предимство е простата технически реа-
лизация на центрирането на обвиващите криви.
По втория начин инфразвуковият спектрален анализ се извърш-
ва непосредствено по време на звучене на говорните команди
без предварително центриране на обвиващите. При всяко измер-
ване на стойността на обвиващите криви за всички честоти й, от
анализирания спектър одновременно се натрупва сумата S, (й,) и
52(Йг) и се измерва продължителността Т на анализираната ко-
манда, въз основа на която се интегрират обвиващите и
Fittk) в границите от 0 до Т. След завършване на командата се
изчисляват постоянните съставки а и b и се определят съответ-
ните спектри:
л (й,) . sin Й, Т -у ~ (1 - cos Й; ту,
(Й,)=—-. sin Й,- T-J (1 - cos Й,- Т),
конто служат за отстраняването на маскиращото влияние на постоян-
ните съставки. За целта от стойностите 51(йг) и 52(йх) се изваждат по-
стоянните съставки и получените центрирани снектри на обвив-
ките 5°(йу) и S£(Q,) се използуват за изчисляване на модулите
им Ф°(й,) и Ф^й,). След това тези модули се нормират по от*
ношение на темпа на говора чрез предварително определяне на
относителната продължителност а и нормираните стойности на
честотите на инфразвуковите съставки
о-_ Ц
' k(Qi)a.'
Нормираните модули на спектрите се определят от изразите
ф° (Й;.)=Ф° (Й,). а; ф° (Й') = Ф§ (Й,) а.
Идентифицирането на командите се извършва чрез сравняване
на получените стойности на спектрите ф° и ф® със съответните
еталонни стойности.
108
Като се има пред вид адитивността на съставките на спектрите,
получени по двата начина, резултатите съвпадат, но времето за
идентификация във втория случай намалява. На фиг. 4.11 е
показана блоковата схема за разпознаване на говорни команди
Фиг. 4 Н
по метода на спектралния анализ на инфразвуковата част от
спектрите на амплитудната и клиповата обвиваща крива на го-
ворните сигнали. В нея влизат блок за електроакустично преобра-
зуване и усилване на сигналите БПУ, блок за отделяне на обви-
ващите криви Б00, блок за спектрален анализ БСА и блок за
вземане на решение за идентификация БВР. В блок БПУ освен
микрофон и предварителен усилвател може да има схема за нор-
мализиране на силата на сигнала, магнитофон за междинен за-
вис, АЦП и т. н. Блок Б00 представлява съвкупност от устрой-
ства за получаване на обвиващите криви в различии честотни
обхвати. Това могат да бъдат аналогови устройства (лентови
филтри, детектиращи и изглаждащи схеми и др.) или цифрови
устройства с намет, конто да реализират функциите на аналого-
вите схеми. Блок БСА представлява специализирано изчислител'-
но устройство за спектрален анализ на обвиващите, компенси-
ране на постоянната съставка и нормализиране на спектъра по
темпа на говора. Реализирането на блока БВР завися преди
всичко от типа на оптималната решаваща функция — линеен или
нелинеен, като съответно и неговата елементна база е с пасив-
ни или с нелинейни елементи, а напоследък се използуват цифро-
ви изчислителни устройства с памет.
Разпознаване на групи команди с отчитане
на семантичната връзка между тях
В ред случаи при управлението на технологични процеси опе-
раторът извършва спомагателни начисления за вземане на опти-
мално решение. За да се повиши оперативността на изчисле-
нията, изходните условия могат да се въвеждат в управляващата
изчислителна система на робота или групата роботи чрез говорни
сигнали. В този случай е необходимо въвеждането не на една или
няколко единични команди, а на съвкупност от команди, което
109
увеличава вероятности за грешки при разпознаването и при
управлението. Една възможност за заобикаляне на този ефект
се състои във възстановяване на информацията при погрешно
разпознати думи по семантиката на съобщенията, т. е. по сми-
съла на фразата. За целта съвкупностга от разпознавани ко-
манди се разделя на класове в зависимост от смисловото им зна-
чение. Напр. думите, конто се използуват при математически
операции, могат да се разделят на пет класа:
I. Думи, конто означават елементи, над конто се извършват
действия: цифрите от 0 до 9, плюс, минус, скоба, точка (за отде-
ляне на дробната част на числата от цялата).
II. Думи за определяне на действие с едно число или изрази в
скоби: тригонометрични функции, експонента, логаритъм и т. н.
III. Думи за означаване на действия с две и повече числа или
изрази в скоби: събери, умножи, повдигни (в степей) и т. н.
IV. Думи за означаване на по-сложни изчисления: начисли
интеграл, граница и др.
V. Служебни думи за управление на процеса на обмен: нача-
ло, край, цифра, операция, поправка, стоп и т. н.
Такова разделяне на думите на класове дава възможност за
автоматично определяне на структурата на изреченията, постро-
ени по синтактични правила, близки до тези на естествения език,
и по части от разпознати думи. Правилата за редуване на думи
от различии класове се използуват за проверка и корекции при
неправилно разпознати думи, например погрешна класификация
към друг клас. Такива правила за случая на диалог за извърш-
ване на математически операции може да имат следния вид:
Изреченията започват със служебна дума, която се използува
за стартиране на процеса на разпознаване на следващите думи.
Втората дума в изречението задава вида на операцията с чи-
сла и може да бъде от II, III или IV клас в зависимост от броя
на числата и сложността на операцията.
След думи от II и III клас веднага следват думи от I клас.
При изпълнение на две операции с едно число думите, с конто
се означават тези операции, се отделят с думата „скоба".
При извършване на тригонометрични действия след числата
или изразите в скоби се задава типът на числата: „градус" или
„радиан".
Числата се отделят помежду си с думите за означаване на зна-
ка на числото.
След числата могат да следват само думите: скоба, градус, ра-
диан^или думи за разделяне на числата и за означаване на края
на изречението.
НО
Разпознаване на съвкупност от говорни команди в съответ-
ствне с посочените правила може да се реализира със сензорно
устройство с блокова схема, показана на фиг. 4.12. Говорният
сигнал, който съответствува на една от разпознаваните думи, се
Фиг. 4.12
преобразува от звуковия датчик ЗД в напрежителен сигнал, кой-
то се подава в блока за отделяне на признаците на думите БОП.
Въз основа на получените признаци четири блока определят
принадлежността на произнесената дума: блок за разпознаване
на думи от I клас, блок за разпознаване на думи от II клас, блок
за разпознаване на думата „начало*1 и блок за разпознаване на
думата „край11. Сигналите, конто съответствуват на разпознатите
думи, през логически схеми „И“ се подават на входа на блока за
управление БУ и към ЕИМ. Блокът БУ отваря пли затваря съот-
ветните логически елементи „И/1. В изходно положение Б У под-
държа разрешена схемата за „начало11, а останалите са затворе-
ни. В зависимост от разпознатата дума или трупа от думите БУ
комутира различии части от схемите „И/1, като по този начин се
намалява броят на възможните грешки за сметка на изключване
на думите, конто постъпват на входа на затворените схеми. БУ
се състои от дешифратор!! ДШЛ~ДШЛ и логически схеми ИЛ БД и
111
ИЛИ2. При постъпване на говорен сигнал на който и да е от де-
шифраторите всички останали се установяват в изходно (нулево)
положение. Функциите на блоковете за разпознаване и на БУ
могат да се нзпълняват и от ЕИМ. Действието на сензора може
да се разгледа с прост пример за изчисляване на израза \/1п2.516 .
Той се задава с изречението: „Начало корен скоба логаритьм две
точка пет едно шест край“. След произнасяне и разпознаване в
блока „Начало^ на първата дума от изречението в изхода на блока
се изработва сигнал, който през отворената схема Я3 постъпва в
ЕИМ и в БУ на входа на ДШ3. Той формира сигнал, който през
схемата ИЛИ2 отваря И2. В същото време ДШ^ който поддържаше
И3 отворена, се нулира и затваря И3. При постъпването на след-
ващия сигнал, който съответствува на разпознатата в блок „II
кши? дума „корен", ДШ2 през схема ИЛИУ отваря схема Я1; а
схема И2 се затваря, защото след дума от II клас винаги следва
дума от I клас. При произнасяне на всяка от остаиалите думи в
изречението БУ извършва съответни превключвания в съответ-
ствие с правилата за построяване на изречения. След думата
„скоба" се затваря Иг и се отваря И2, а след „логаритъм" се за-
тваря Я2 и се отваря Иг. След произнасяне на първата цифра „две"
и всяка следваща Б У оставя отворена схемата Яп като едновремен-
но оставя отворена и Я4, защото съществува възможността всяка
от цифрите да бъде последна в израза. След произнасяне на ду-
мата „край" ЕИМ извършва изчисленията по зададения ред, а
резултатът се отпечатва. БУ подготвя устройство™ за следва-
щото изречение.
В особено отговорни случаи, когато в управление™ могат да
се допускат ограничен кръг лица, възниква задачата за персони-
фикация на говорните команди, т. е. идентифициране на източ-
ника на командите и само при определено съответствие тези ко-
манди се нзпълняват. От гледна точка на техническата реализа-
ция на такива системи задачата е подобна на тази за разпознаване
на ограничен брой команди, всяка от конто е представена като
матрица от числа (признаци). Разликата се състои в използуване-
то на строго ограничен брой и вид реализации при формирането
на еталоните на командите, конто подлежат на разпознаване,
като в най-отговорни случаи може една единствена реализация да
стане еталон. Основната информация се съдържа в моментния
динамичен спектър на говорния сигнал. Ето защо за целите на
персонификацията се използуват честотните параметри, полу-
чени в резултат от разделянето на спектъра на сигнала с помощта
на лентовифилтри (до 14-?-18). Това, от една страна, осигурява необ-
ходимата достоверност на разпознаване, а от друга-—предоставя
допустими за техническата реализация на такава система условия.
112
Глава 5
ВИЗУ АЛ НИ СЕНЗОРНИ УСТРОЙСТВА
Една от най-перспективните области на приложение на опто-
електрониката са информационно-тьрсещите, следящите и раз-
познаващите системи в роботиката и техническата кибернетика.
Информационните възможности на такива системи зависят от
конкретните схемни решения, конто пък се определят от изпол-
зуваните средства за анализ на изследваното пространство и
обектите в него.
Систсмите за обработка на зрителна информация се усъвършен-
ствуват чрез използуване на оптимална стратегия за анализ на
обектите и сцените по пътя на най-рационалното разпредсляне
на предоставените на такава система изчислителни и възприема-
щи мощности.
Характерна особеност на роботите от трето поколение е на-
личие™ на система за възприемане на зрителна информация,
конто засега използува телевизионно изображение на реалното
тримерно пространство. В резултат на обработката на информа-
цията се получава описанието на сцената с помощта на специални
езикови средства: имена на включените в сцената обекти, тях-
ното точно положение по отношение на предварително дефини-
рана координатна система и допълнително описание на простран-
ствсни отношения между обектите. Този резултат се получава с
помощта на специални апаратни и програмни средства, конто
осигуряват етапите на преобразуване на визуалната информация
в цифрово кодирани данни до получаване на крайняя резултат —
разпознати обекти, техните размери и положение в работното
пространство.
Визуалните сензорни устройства за роботи в зависимост от
предназначението си се разделят на няколко основни групи:
сензорни устройства за откриване на обекти в полезрението на
робота;
сензорни устройства за определяне на геометричните размери
и площта на обектите;
устройства за автоматичен контрол на формата и размерите
на детайли и изделия;
сензори за автоматично преброяване на обектите в работното
пространство от всеки тип поотделно;
8 С ензорни у-ва за роботи
113
сензорни устройства за автоматично следене на движещи се
обекти;
устройства, конто позволяват да се откриват видимы изме-
нения на контролирания обект, протичащи мигновено или за
продължителен период от време и др.
5.1. СКАНИРАЩИ ОПТИКО-ЕЛ ЕКТРОННИ СЕНЗОРНИ СИСТЕМИ
Сканиращите обзорно-търсещи системи представляват отдел-
ив трупа сензори, предназначен)! за търсене на единичны обекти
в поле с определен фон на оптичен принцип. Те извършват анализа
на пространството по различии методи и стратегии: последова-
теле, неравномерно, дискретно, случайно сканиране и др. При
анализа на работиото поле с оптически средства възникват ре-
дица проблемы, представляващи сложив за разрешаване теоре-
тични и технически задачи, напр. рационално снемане на инфор-
мацията за контролируемого поле, избор на оптимална траекто-
рия на сканиране, избор на оптимални размери на анализиращия
лъч, скорост на сканиране, шумоустойчивост на визуалната инфор-
мация и т. н. Сканиращите сензорни устройства за анализ на оп-
тични изображения се развиват в две основни направления: пър-
вото е свързано с обзора на т. нар. импулсни оптнчни полета (тео-
рия и техника за търсене и откриване на обекти), а второго —с
анализ на плътни оптични полета (разпознаване на трнмерни
визуални изображения).
В режим на търсене на обекти зрителното поле на робота се
сканира в определен ред и със зададено детайлизйране на еле-
ментите на изображението. Оптималната стратегия на сканиране
при търсене на обекти се определя от статистическнте свойства на
изображенията или на базата на различии оптимизационны кри-
терии.
При анализ на изображенията основно изискване е предаване
на максимално количество информация за съдържанието на сце-
ните при спазване на ограниченията по отношение на разреша-
ващата способност на визуалнпя сензор, динамиката на изобра-
жението, честотната лента на канала за връзка, времето за реак-
ция на системата за управление на робота и др.
Визуалните сензорни устройства използуват различии физи-
чески явления и ефекти. Важно място заемат вакуумншпе фото-
електронни устройства с голяма скорост на развивката, висока
разрешаваща способност и чувствителност. В последно време все
повече навлизат полупроводниковите фоточувствителни при-
114
бори. Те отстъпват по разрешаваща способност и енергетична
чувствителност на вакуумните фотоелектронни прибори, но имат
малко тегло и размери, икономично захранване и удобно цифрово
управление. Най-новата разработка в тази облает са твърдотелните
сканистори. Важността на разработката и пзеледването на по-
добии полупроводникови сканиращи устройства се обяснява с ни-
кои недостатъци на съвременните вакуумни предавателни тръби
по отношение на изискванията на роботостроенето: големи раз-
мери и тегло, дефектиране при вибрационни натоварванпя и др.
Твърдотелните полупроводникови визуални сензори наред със
своята компактност и дълъг срок на експлоатация използуват
захранване с ниско напрежение и малка мощност и могат да се
привеждат в действие мигиовено, без спецпална настройка и под-
държане.
Друг вид визуални полупроводникови сензори са мозаичните
полупроводникови сканиращи устройства. Те предстаьляват съв-
купност от миниатюрни фоточувствителни елементи, разполо-
жени във вид на растер или мозаика в една равнина. Всеки чув-
ствителен елемент се включва към изходния усилвател с помощта
на комутационна схема. Такъв тип чувствителни мозаечни плос-
кости осигуряват интегриран сигнал от всеки чувствителен еле-
мент на мозайката в изхода на сензора.
Друг клас оптоелектрически сканиращи устройства работят
на принципа на пространственото управление на светлинния
лъч. Те се отличават с повишена скорост на сканиране на фото- '
чувствителното поле, разширеи честотен обхват на изходния
сигнал и увеличена точност на управление на лъча. За усъвър-
шенствуването на лазерни и телевизионни визуални сензори се
изработват методи за отклонение на лъча: оптико-електрическп,
оптико-акустични и квантово-механични. Оптико-електронни-
те търсещо-следящи системи се използуват за следене 'на еди-
иични обекти в системите за управление, насочване и автоматич-
но съпровождане, за следене на комплекс от взанмноевързани
обекти в системите за ориентация и навигация, за определяне на
контурите на обектите, за въвеждане на графична информация в
ЕИМ и др. В много случаи сигнала на разсъгласуване се отделя
с помощта на сканиращи премествания на оптичиото изобра-
жение на обекта спрямо оста на следящата система. В оптико-
?леханичните устройства светлинното излъчване от обекта се
раздели на два канала, като отделно се следи по двете оси на
координатната система. Схемите от този тип са пс-прости, но и
по-бавнодействуващи и с ограничена надеждност.
Най-перспективни от всичкп следящи устройства са оптико-
115
електронните и полупроводниковите. В оптико-електронните
системы се използуват различии видове предаващи телевизионни
тръби със или без натрупване на заряди. В първия случай се
прилага поредово сканиранесъсстробиране на сигнала на следене
и различии методи за обработка на видеосигнала. Използуването
на дисектори в оптичните следящи системы се обяснява със срав-
нително лесното формиране на различии видове развивки, което
позволява да се получи необходимият сигнал на разсъгласуване
при следенето, и с възможността за избор на формата и размера
на сканиращия отвор в диафрагмата на дисектора. Към оптико-
електронните позиционно-чувствителни сензорни устройства с
висока чувствителност и точност се отнасят фотоумножителите.
Квадрантният фотоумножител има фотокатод, разделен на чети-,
ри сектора и четири умножителни канала. Стойността на сиг-
нала от всяка секция се определи от положение™ на светлинното
петно спрямо центъра на фотокатода. Аналогично може да се
използува сканиране с квадрантен фотодиод. Полупроводнико-
вите чувствителни елементи имат добри технически и позицион-
ни характеристики. Използуват се многопреходни бикристални
полупроводинкови елементи, елементи с ефект на страничния
фототок, който възниква под действие™ на естественото осветле-
ние, елементи с използуване на магнитострикционния ефект в
полупроводннците и други електрооптични ефекти.
Отделна трупа оптико-електронни търсещи и следящи сен-
зорни системн са т. нар. „навигационни системи*, конто се из-
ползуват при подвижните роботи за работа на морското дъно, в
агресивна среда и в космического пространство. Основната функ-
ция на навигационните системы се състои в пълно сканиране на
пространство™ с разпознаване и отделяне на обектите, конто
могат да се приемат като ориентиры, и определяне на местополо-
жение™ на робота по отношение на тях. Подобии оптико-елек-
тронни системи се използуват за навигация в авиационните и
космически™ апарати.
За определяне на местоположение™ и ориентацията на една
автономна система с помощта на оптико-електронна визуална
система се използуват различии методы:
триангулачни — свързани с измерване на ъглитс между ли-
ниите на визиране на опорните обекти;
стадиометрични — при тях се измерва разстоянието до опор-
ната точка и се определи ъгълът на визиране на видимата част на
телата;
изчислителни — с използуване на координатната система на
робота (нейната ориентация спрямо опорните тела).
116
Оптико-електронните системн се използуват п за търсене, и
за следене на нужните ориентири, т. е. има възможност за отде-
ляне на различннте шумовн и фонови смущения от излъчванията
на странични източници или обекти, Идентификацията на необ-
ходимите ориентири се осъществява чрез сравняване на постъп-
ващата информация от визуалнля сензор със заложената пред-
варително в паметта на управляващата ЕИМ сцена. По този
начин оптико-електронните сканиращи системн за анализ на
визуална информация се използуват за решаване на най-раз-
лични информационни задачи по време на управление™ па ро-
бота: обзор на пространство™, търсене на обекти с предварител-
но зададени характеристики в него; предаване, анализ и обра-
ботка на визуалната информация, която се съдържа в изображе-
нието, за следене на единична обекти и на комплекс от взаимно
свързани тела и др,
Оптико-електронните сензорни системн за възприемане и пре-
даване на визуални изображения се класифицират според:
използувания принцип на сканиране, без да се отчита физиче-
ският характер на явленията в чувствителнпте елементи на си-
стемата;
физическпя принцип на действие на използувания в системата
чувствителен елемент (елементи).
Според принципа на сканиране сензорните устройства за ра-
бота при естествено осветление се разделят на:
1. Устройства с поелементно сканиране: при тях изображения-
та се анализира’г чрез произволен ред на сканиране по всеки
елемент на изображението. Елементът се активира за определено
време, определи се стойността на нзмервания параметър в тази
точка от изображението и се дезактивира. Така се постъпва с
всеки елемент. Сканирането е дискретно. Устройствата ‘ от този
вид позволяват при нужда да се възпроизведе изходното изобра-
жение.
2. Устройства с последов ате л но зоново сканиране: при тях две
сканиращи ивици се движат с различна честота и скорост вза-
имноперпендикулярно по фоточувствителната повърхност. На
изхода се получава сигнал, пропорционален на този участък от
изображението, върху който в момента се пресичат двете скани-
ращи ивици. Сканирането е непрекъснато.
3. Устройства с паралелно зоново сканиране: също с две вза-
имноперпендикулярни сканиращи ивици, но с еднаква честота.
Всяка ивица изработва отделен изходен сигнал. По двата пара-
лелно получавани сигнала чрез сравняване с опорните сигнали за
управление на ивицнте пепосредствено се определят координати-
117
те на обектите. Такъв принцип на анализ на изображението не
позволява пълно възпроизвеждане на изходната сцена. Този тип
устройства могат да се използуват за търсене и следене само ако е
известно, че на контролираното поле се намира само един обект.
4. Устройства със зоново-поелементно сканиране: първона-
чално се сканира по зони до момента, в който се установи, че в
дадена зона има обект. След това се извършва поелементно ска-
ниране на избраната зона за намиране на отделните елементи,
конто формират описание™ на обекта. По такъв начин процеду-
рата сканиране се раздели на два етапа. Възпроизвеждане на
пълното изходно изображение в този случай е невъзможно.
В зависимост от физическите явления и процеса, конто се из-
ползуват за преобразуване на зрителното изображение в елек-
тричсски сигнал, сканиращите сензори използуват следните
видове чувствителни елементи:
Оптико-механични обзорнотърсещи устройства. Те включ-
ват отразяващи и пречупващи оптически системи и екраниращи
елементи. С помощта на механична система за задвижване се ре-
ализират различии колебателни и възвратно-постъпателни дви-
жения на оптиката. Използуват се огледални елементи с различ-
на форма, пречупващи светлината тела — неспметрични лещи,
призми и др. Върху един общ фоточувствителен елемент после-
дователно се подават излъчванията на всички участъци на изобра-
жението. Развивката и синхронизацията се осъществяват с по-
мощта на синхронии електрически двигатели и съответен меха-
низъм за задвижване на оптическата система. Чувствителният
фотоелемент е неподвижен и е поставен във фокуса на оптическа-
та система. Могат да се използуват фоточувствителни елементи с
различна чувствителност според предназначение.™ на оптико-
механичното сканиращо устройство. Основните затруднения се
предизвикват от наличието на механични възли със сложна кон-
струкция и голяма точност. Този тип сканиращи устройства са с
ограничено приложение и перспектива за развитие поради нис-
ката скорост на сканиране, повишените динамични натоварвания
и невъзможност за пренастройка към друг вид светлинни източ-
ници.
Оптико-електронни сканиращи устройства. В тях се из-
ползува принципът на „подвижен екран с отвор". С помощта на
едно или друго физическо явление и съответни развиващи сиг-
нали в „закрита" по цялото поле оитико-електрическа клетка
се създава подвижен прозорец, през който излъчванията от раз-
личии места на изображението попадат върху фоточувствителния
елемент. Ако се използуват две оптични полета и в тях под дей-
118
ствието на електрически сигнали се образуват две ивици, конто
се движат с различна скорост под определен ъгъл помежду си (в
частен случай взаимноперпендикулярни), участъкът, образуван от
пресичането на ивиците, осъществява поредова развивка на изоб-
ражението.
Оптикоелектронните сканиращи устройства по правило са
прости по конструкция, надеждни, не се влияят от ускорения и
вибрации, принципно могат да осъществяват качествено изобра-
жение при малки размери на сканиращото петно. Изследванията
са насочени към създаването на оптикоелектронни сканиращи
устройства за отклоняване на лазерен лъч. За целта се използуват
ултразвукови трептения в течна оптична система или електронно-
оптичният ефект в кристали.
Сканиращи устройства от оптикоелектронен тип се създават
и на основата на електронноптични ефекти в твърди тела в едно-
мерни и двумерни модификации.
Вакуумни фотоелектронни сканиращи устройства. Те се изграж-
дат на основата на предаващи телевизионни тръби и други ва-
куумни прибор». Телевизионните тръби са много чувствителни в
ограничен спектрален обхват.
Дисекторът представлява предаваща телевизионна тръба с
мигновено действие без натрупване на заряди. Отличава се от
другите предаващи тръби с голямо бързодействие, мигновена
готовност за работа, произволен начин на сканиране, продължи-
телна работоспособност и надеждност, голяма механична якост,
устойчивост на вибрации, ниски и високи температуря и пови-
шена влажност.
Вакуумните електроннолъчеви сканиращи устройства са най-
разпространеният чувствителен елемент на визуалните сензорни
устройства. Ако се комбинират с нишковидна оптика, .се пости-
гат нови начини за сканиране и разпределяне на изображенията,
изменение на формата и размерите и други преобразувания не-
носредствено на светлинните сигнали.
Полупроводников» сканиращи устройства: най-разпространени
са сканисторите, който намират приложение в системите за раз-
познаване и в телевизионните системи на автоматиката. С тях
могат да се определят координатите при едномерно сканиране по
отношение на положението на възбуденото светлинно петно.
119
5.2. СЕНЗОРНИ СИСТЕМЫ С ТЕЛЕВИЗИОННИ КАМЕРИ
Сканиращите телевизионни системи за роботи се използуват
на първо място за определяне на пространствените координаты
на обектите. Те са основен елемент при реализирането на супер-
вайзорните методи за управление.
За определяне на ъглите в полярна координатна система се из-
ползува телевизионна визуална система с една камера (моно-
кулярен метод). Системата координата е свързана с телевизион-
ната камера (фиг. 5.1). Ъглите, свързани с която и да е точка М
от повърхността на обекта, се определят по формулите:
(5.1) ан = arctg —Х_ —
\ & fe(F+8) ’
(5.2) рн=arctg —,
' гм & zu. cos а ’
където k е коефициентът на увеличение на изображението, който
се определя като отношение на размера на изображението върху
екрана към размерите му върху мишената на предавателната
тръба с координатна система 7МИш, ОМИш, ХМИш; хи, zM — коорди-
натите на изображението на точка М на екрана при начало на
координатната система в центъра на екрана; F — фокусното раз-
стояние на обектива на камерата; 6 — линейного отместване на
обектива.
За измерване на третата координата — разстоянието, може
да се използува методът на автоматичната оптически фокуси-
ровка (АОФ). Разстоянието до коя да е точка от екрана се опре-
деля по отместването на обектива 6, при което се постига макси-
120
мална контрастност на изображението в околността на съответната
точка на мишената на предаващата телевизионна тръба. Греш-
ката при измерването на ъгловите координата при такава си-
стема се определи от нелинейности на развивките на предава-
телната тръба и телевизионный екран и достига до около 10%.
Този тип монокулярни телевизионни системи се използуват за
насочване в подвижни наземни и подводни манипулатори и в
никои типове промишлени роботи.
Фиг. 5.3
Точността на измерване на координатшпе на обекти може да
се увеличи при посочване на целите в пространството на обекта
вместо в пространството на изображението му върху екрана с
121
•помощта на насочен източник на светлина (фиг. 5.2). Такава те-
левизпонна система, съставена от една предаваща телевизионна
тръба и източник на светлинен лъч, действува подобно на актив-
ните оптически далекомери. Телевизионната камера се разпола-
га в приемната страна, а източникът заедно с механизма за на-
сочване — в предавателната страна на далекомера. Разстоянието
от излъчвателя до обекта се определи по формулата (вж. фиг.
5.3):
където рк е ъгълът между камерата и обекта и се определи по
формула (5.2); ри — ъгълът на насочване на източника и се опре-
дели от показанията на механизма за насочване; d — базата на
далекомера, определена като разстоянието между източника и
камерата.
След като се определи разстоянието /и и като се знаят стойно-
стите на ъглите на насочване аи и ри, могат да се изчислят декар-
товите координати на местоположението на обекта по отношение
центъра 0и, в който е поставен излъчвателят
(5.4) х=1Н. sin . sin а„; у = l„. cos cos а„; z=ZH. cos ₽и.
Относителната грешка при измерването на ъгловите координа-
ти в системата координати, свързана с източника на насочено
излъчване, се определи от точиостта на устройството за измерване
на ъгъла на завъртане на механизъма за насочване на източника.
При използуване на потенциометрични датчици за положение
тази грешка е не по-голяма от 0,3%. Грешката при измерване на
разстоянието зависи от ъгъла на насочване ри и ъгъла на пара-
лакса у. В разглеждания случай
(5.5) т=₽и—₽к-
Грешката при измерване на разстоянието при е
(5.6) AZK=-у (с os . Др„ 4- sin . Sy).
Определяща роля в израза (5.6) има грешката в измерването, въ-
веждана от телевизионния приемник, поради което общата греш-
ка А/к не надминава 10%.
При използуване на две предаващи телевизионни камери за
определяне на пространствените координати на обектите в работ-
ната зона на робота се срещат никои допълннтелни затруднения
във връзка с посочването на целите. Това се дължи на по-слож-
ното въвеждане и управляване на електронни маркери в стерео-
122
скопичното изображение. Тази задача се решава сравнително най-
просто по разгледания метод с дополнителен целеуказващ свет-
линен източник от типа на маломощен газов лазер (фиг. 5.4).
Координатите на обекта могат да се изчислят по подобен начин
както в случая с една камера и светлинен излъчвател.
Най-характерна и важна част на телевизионните сензори е
телевизионният датчик, който представлява оптико-телевизион-
но устройство за преобразуване на светлинното изображение на
наблюдавания обект в електрически сигнал (видеосигнал), който
съдържа информацията, необходима за определяне на парамет-
рите на обекта със зададена точност и форма във вид, подходящ
за по-нататъшна обработка. Основното изискване към телевизи-
онния датчик е осигуряване на максимална точност на преобра-
зуване на необходимите параметри във видеосигнал, защото ни-
какви усложнения на останалите устройства на визуалния сен-
зор я на математическата обработка не могат да възстановят за-
губената първична информация.
При изработването на телевизионните датчици възникват ред
трудности, свързани с многобройните източници на грешки, коя-
то съпътствува използуването на телевизионни методи. Освен
това трябва да се отчитат грешки от механични луфтове, изме-
нение на температурата на основната конструкция, неконтро-
лируеми премествания и т. н. Да се отстранят всички източници
на грешка е невъзможно, стремежът е да се минимизират. Сиг-
налът в изхода на телевизионния датчик може да бъде от ана-
логов или цифров вид. Аналоговият сигнал при необходимост от
по-нататъшна обработка осигурява по-голямо бързодействие и
възможност за непосредствена връзка с индикаторни и дори с
123
изпълнителни механизми на робота. Недостатък на аналоговия
сигнал е ограничената точност на обработка (0,1 -н0,01 %) и труд-
ностите при изчисляване на сложим математически зависимости.
Видеосигнал в цифрова (дискретна) форма помага за получа-
ването на непосредствено по-информативен сигнал и е незаменим
при сложна математическа обработка с висока точност. Но тук са
необходими сравнително сложни кодиращи и декодиращи устрой-
ства за преобразуване на електрическите сигнали първоначално в
цифров код и в непрекъснати величинн и команди след обработ-
ка та.
Телевизионните датчици се състоят от два основни елемента:
оптическо устройство и преобразувател светлина—електрически
сигнал. Оптическите устройства могат да бъдат от различен вид:
като се започне от обикновените обективи и се стигне до сложни
телемеханични устройства и нишковидна оптика. Чрез подходящ
подбор на оптическия вход на телевизионния датчик в ред случаи
значително се опростява цялата сензорна система при запазване
на точността.
Изборът на обектив за оптическою устройство на визуалните
сензори се извършва въз основа на основните параметри на всеки
обектив: фокусно разстояние F, относителен отвор О, ъгъл на
виждане 2(3, размер на диагонала в равнината на изображението d,
разрешаваща способност S, коефициент на пропускане на светли-
ната Т, спектрална характеристика и неравномерност на освете-
ността по края на изображението. Въз основа на тези параметри
могат да се определят всички необходими допустими възможности
на сензора. Напр. минималният размер b като детайл от даден обект,
който се намира на разстояние L от обектива, може да се опре-
дели по формулата
(5.7) b = 2-^d.
При използуване на обектив с голям относителен отвор нама-
лява дълбочината на контрастно предаваното пространство. Това
може да доведе до необходимост от използуване на система за
автоматично фокусиране на обектива по време на работа с пред-
мета, конто се движат по посока на оптическата ос. Разстоянието
от обектива до предната /j и задната 12 равнина на контрастно
изобразяваното пространство се определи по формулите
/г o'! I cF'2 I _ cF2
{О.О) p2_ckz’ >
където с е разстоянието от обектива до фокусната равнина; г' —
допустимият радиус на разсейване, който за видикон е 0,017 mm.
124
за дисектор е 0,047 mm и суперортикон — 0,042 mm; k — пока-
зател на относителния отвор на обектива.
Разликата (/2 — G) дава дълбочината на пространството, в
границите на което не е необходима допълнителна фокусировка
на изображението.
По-сложна оптическа система за телевизионни датчици е т.
нар. „базоеа" система. Тя позволява да се измерват обекти с
големи линейни размери чрез измерване само на краищата на
изображението им (фиг. 5.5). С помощта на два обектива 1 кра-
ищата на обекта 2 с дължина I се проектират върху отразяващи
огледала 3, който от своя страна насочват изображенията върху
централната призма 4. От нея изображенията на краищата на
обекта попадат върху предаващата тръба 5. При изменение на
дължината на обекта със стойност (b+с) положение™ на изобра-
женията върху тръбата се измени с k(b'-\-c'), където k е мащабът
на изображението.
Обратно на разгледания случай при анализ и измерване на
обекти с малки размери се използуват „раздвояващи“ оптически
устройства. Те създават две отместени едно спрямо друго изоб-
ражения на обекта с отместване, което е постоянно за даденото
устройство. Оценка за изменението на размерите и положението
на обекта се получава по преместването на междината.
Значително подобряване на качествата на оптическите сензори
се постигат при оптическото дискретизиране на изображенията
преди сканирането им. В последно време това се осъществява е
фиг. 5.5
помощта на оптически нишки. Една нишка има диаметър 10-ъ20рт
и е покрита с тънък l-r-2 pm слой от друго стъкло с по-нисък
коефициент на пречупване. По този начин светлината, влизаща
125
в такъв световод, претърпява пълно вътрешно отражение от сте-
лите на нишката и нзлиза от срещуположния й край с минимално
затихване. Сноп от такива нишки с фиксирани в една плоскост
краища може да предава проектираното на единия край изобра-
жение в другия независимо от положението на снопа: той може
да се огъва, дори да се връзва на възел. Спектралната прозрач-
ност на нишковидната оптика е напълно достатъчна за практи-
чески нужди.
Втората основна част на телевизионните датчици е нреобразува-
телят светлина — електрически сигнал. Той непосредствено пре-
връща светлинното изображение на обекта в електрически сиг-
нал с помощта на предаващи тръби, системи с бягащ лъч и фото-
електрически преобразуватели. На фиг. 5.6 е показана блоко-
вата схема на визуалната телевизионна система. Методът за
разлагане на изображението може да бъде едноредов или растров.
Едноредовият метод се използува при контрол на размерите на
обектите и на ъгли, при анализ и контрол на формата на пред-
мета. Разлагането се извършва по една линия, по окръжност или
по друг контур. Раапровият метод за разлагане на изображе-
нията се използува за автоматично преброяване на обектите,
конто се намират в наблюдаваното пространство, откриване на
измененията в тях, разпознаване на образи и ситуации, т. е.
навсякъде, където е необходим визуален контрол на работното
пространство на робота. Системата се състои от предавателна
тръба ПТ, блок за развивка БР, токозахранващ източник ТЗИ,
синхрогенератор СГ и усилвател У, в изхода на който се полу-
чава видеосигнала ВС, съответствуващ на наблюдаваното свет-
линно изображение.
При отсъствне на специални изисквания в растровите системи
се използува презредова развивка с 625 реда при 25 кадъра в се-
кунда. Тя осигурява достатъчна модулация на изходния сигнал
за автоматични системи и задоволителна контрастност на пре-
даваното изображение при визуален контрол. В тази реализа-
ция се използуват серийни схеми и модулни решения, конто се
прилагат в промишлените телевизионни апаратури. Като пре-
даващи тръби ПТ могат да се използуват всички тръби, намерили
приложение в телевизионната техника За опростяване на апара-
турата и повишаване на надеждността й в практиката се изпол-
зуват видикони, дисектори и тръби с бягащ лъч.
Видиконът засега е най-широко използуваната ПТ в системите
на телевизионноизчислителната автоматика. За това допрнна-
сят добрите характеристики: задоволителна чувствителност, доб-
ра разрешаваща способност, просто управление и малки раз
126
управление
Таблица 5.1
S Ь Е
Г-1Л ОС
оо о о
127
мери. Видиконът осигурява голямо отношение сигнал/шум, като
за широколентови телевизионни датчици то е около 30, а при
бавни развивки (около 1 Hz) достига няколкостотйн. Основен не-
достатьк на видикона е неговата инертност. ,Тя влияе при наблю-
даване на движещи се обекти, където поради разминаване на
видеосигнала са невъзможни точки измервания на параметрите
на обектите. Тази инертност има положителен ефект при дат-
чици с режим на запомняне. В табл. 5.1 са дадени параметрите и
особеностите на видикони, производство на СССР. Трябва да се
отбележи видиконът ЛИ420, който има изцяло електростатично
управление, фокусировка и отклонение на лъча. По основни
параметри той не отстъпва на повечето видикони с електромагнит-
но управление, не изисква бобини за фокусировка и отклонение
и работи с малка мощност на генератора за развивка.
Дисскпюрите се използуват като телевизионни датчици в слу-
чайте, когато може да се осигури голяма осветеност на обектите
(няколко хиляди лукса) и се изисква висока надеждност на работа.
Те имат практически неограничен срок на работа, работят в
широк температурен обхват и не са инертни. Разрешаващата
способност на дисекторите е по-ниска от тази на видиконите
(200ч- 400 линии) и в тази насока се очаква развитие. В табл.
5.2 са дадени параметрите на няколко типа дисектори.
Т а б л и ц а 5.2
Тип на дисек- тора Спектрална облает, jxm Разрешаваща способност, линии на mm Отношение сигнал/шум Работна ПЛОЩ, 1ШП Работна температура, °C
ЛИ601 0,44+0,58 60 — 24X24 -60++ 70
ЛИ604 0,65—0,85 20 10X32 -304-+50
ЛИ6Э4 0,424-0,50 300 5 025 , _ 694-4-85
ПТ с бягащ лъч се използуват при ниска осветеност и доста-
точно малки обекти. Увеличаването на полето на изображението
води до рязко намаляваие на отношение™ сигнал/шум. Този тип
тръби позволяват да се получи достаточно равен фон по целия
растер без допълннтелни устройства. ПТ с бягащ лъч са незаме-
ним!! при необходимост от висока разрешаваща способност (20004-
3000 линии) и голяма точност на определяне на размери (ня-
колко pm).
През последните години се появиха нови безвакуумни устрой-
ства за преобразуване на светлината в електрически сигнал —
сканисторшпе. Разработени са два варианта: плътен и дискретен
сканистор. Плътният сканистор се изработва от един моно-
128
Кристал и се състои от един слой полупроводник (най-често си-
лиций) с формирани в него два паралелни PN прехода (фиг. 5.7).
С ГТИ е означен генератор на трионообразни импулси, а с ДУ —
диференциален усилвател, от изхода на който се получава видео-
сигнала на сканистора. Дискретният сканистор се изработва от
отделяй клетки, всяка от конто представлява двойка насрещно
включени диоди (фиг. 5.8). Единият или и двата диода са фото-
чувствителни. Отделяйте клетки са свързани помежду си със
съпротивления, конто образуват делител на напрежението на
батерията Е^. В двата случая върху външния слой се проектира
светлинното изображение. Между средната точка на батерията и
външния слой се прилага трионообразно напрежение с амплиту-
да Ео, което се изработва от ГТИ. В момента на преминаване на
напрежението през нулата в елементарния участък на плътния
сканистор или в клетката на дискретния възниква скокообраз-
но изменение на тока, чиято амплитуда се определи от осветеност-
Фиг. 5.8
та на съответния елемент на сканистора. За един период на
развивката се опипват всички елементи, разположени в една линия
на сканистора. За получаване на видеосигнала изходният ток
9 Сензорни у-ва за^роботи
129
се диференцира от ДУ, защото при развивката се получава сумар-
ният сигнал от всички елементи. Първоначално са разработени
едноредови сканистора, а в последно време се изработват вече
и растрави варианта. В схемно отношение сканисторите са из-
вънредно удобни, защото използуват проста развивка незави-
симо от сложността на профила на изследваните обекти. Ска-
нисторите могат да се използуват за въвеждане на визуална ин-
формация в ЕИМ, за разпознаване на образи и др. операции.
Телееизионните сензорни системи се използуват за контрол на
линейните размери и повърхността на обекти и детайли, за кон-
трол на формата и профила на детайли, за идентификация, за
топографски анализ и др. При промишлените роботи от първо и
второ поколение преброяването и откриването на обекти се
извършва предимно с прости фотоелектронни дистанционни
датчици. Въвеждането на сложни телевизионни сензори е оправ-
дано от гледна точка на усъвършенствуването, развитието и уни-
версализацията на роботостроенето и опитите за изграждане на
системи за управление на роботи с изкуствен интелект. За пре-
брояване на обектите в полезрението на телевизионния сензор се
използуват два вида методи: статистически и методи за индиви-
дуална оценка.
Статистическите метода позволяват обработка и класифика-
ция на информацията за общия брой пресичащи се изображе-
ния с помощта на сканиращ лъч. Тези методи са намерили при-
ложение при автоматичните системи за преброяване на микро-
частица и насилии детайли със сферична форма. За разлика от
първата трупа методи при индивидуалната оценка в анализира-
щата част на сензора се извършва оценка само на специално из-
130
брани единични обекти. Най-често алгоритъмът за анализ се
състои в сравнение™ на сигналите на два съседнв реда от раз-
вивката. В случайте, когато полярността на сигналите в двата
реда съвпада, в изхода не се изработва импулс. На фиг. 5.9 са
показани различии случаи на пресичане на профила на обект в
два съседни реда. В случая двата реда преминават по фона на
изображението и следователно импулс в изхода не се изработва.
В случая (б) долният ред преминава по тъмната повърхност на
обекта, а горният по светлия фон и в резултат в изхода на теле-
визионния датчик се изработва импулс, който се обработва по-
нататък по определен алгоритъм (например за анализ на кон-
турите на изображенията). В положение™ (е) и в двата реда лъ-
чът преминава през тъмен участък и импулс отцово липсва, а в
случая (г) се изработва импулс с полярност, обратна на тази от
случай (б). Ако е достатъчно само откриването на отделните
обекти, се използува само един от изработваните от сензора им-
пулси за всеки обект.
При масово производство на изделия със сложна форма е осо-
бено актуален въпросът за контрол на съответствието на тази
форма със зададените предварително параметри. С помощта на
телевизионни сензори могат да се контролират изделията в дви-
жение, а също и в труднодостъпни за човека места (напр. нагрета
до висока температура отливки при горещ прокат и др.), където
е немислимо използуването на ръчни методи. За целта се из-
ползуват различии системи: с едновременно сканиране на из-
следвания обект и на неговия еталон, методи с използуване на
следяща развивка, телевизионни системи за визуален контрол
на формата на изделията и т. н.
Един от най-сложните системи за визуална обработка са тези
за разпознаване на обекти, при конто се поставя задачата за си-
гурно откриване на зададен обект измежду множество различна
обекти независимо от различимте в мащаба, положение™ и ро-
тацията. Първите устройства от този тип използуват библиотека
от предварително формирани еталонни образн в паметта на из-
числителното устройство и отъждествяването с едно от тях на
анализирания обект. Това съпоставяне се извършва по съвкуп-
ност от признаци, описващи еднозначно съответния клас обекти.
В промишлеността е много разпространен случаят за сортиране
на изделията по тяхната форма: при конвейери, върху конто по-
стъпват последователно детайли от различии преси и други ме-
талообработващи машини, премахване на бракувани по външни
белези детайли, предварително ориентиране на детайли за зареж-
дане на машини и т. н. В повечето случаи се касае до тела с
131
Таблица 5.3
Форма Площ 5 Перимегьр P Коефициент на формата йф Съвт но- шение
{ fin КД2 2м 12,56 1,00
< т-’—з а az (5+п) la (2 4-k) 13,00 1,04
/ g\ / 4 6c 13,83 1,10
а а a2 4a 16,00 1,27
[ м2 2 a (2 + n) 16,82 1,34
а ZZSI За 2a2 6a 18,00 1,43
132
Продолжение на табл. 5.3
а 4 Зс 20,7 1,65
30а 2,5пс2 а(Зк+4) 23,00 1,83
1 а/2 fl а2 5 а 25,00 1,99
1,5т:а2 а (Зл-р2) 27,6 2,20
правилна геометрична форма, изображенного на конто може да
бъде достаточно контрастно. Един от най-простите методи за
идентификация на такива обекти се състои в определянето на
коефициента на формата на профила на обекта:
Р2
(5.9) Лф=~-,
където Р е периметърът на детайла, aS — неговата плогц. Най-
малък коефициент на формата има кръгът (4л), като с увеличава-
не на отклоненного на формата от тази на кръга /гф расте. В табл.
5.3 са дадени стойностите на коефициента на формата за някои
видове изделия. Както се вижда от формула (5.9), за изчислението
133
на /гф е необходимо да се знаят площта и периметърът на фигу-
рата на изделието. Площта може да се определи по телевизионен
път като величина, пропорционална на сумата от продължител-
ностите на всички импулси, получени от пресичането на изобра-
жението от сканиращия електронен лъч.
Фиг. 5.10
Периметърът на обектите може да се определи по два начина,
конто се основават на редовата структура на растера. По нървия
начин действителният периметър е равен на сумата от дълл.ините
на дъгите, заключен!! между успоредните редсве (фиг. 5.10). За
опростяване на измерването може да се сумират хипотенузите
ВС, CD. . . или още по-просто — страните на стъпалообразната
крива ABCD. . . Тогава периметърът се определи по формулата
п
(5.10) g (/f_/._1)+27',
z=i
където k е коефициент на пропорционалност; — продължител-
ността на видеоимпулса; Т — разстоянието между два реда във
времето.
Грешката при определянето на периметъра по този начин е
винаги положителна и може да достигне в най-неблагоприятни
случаи 40% (за правоъгълник, ориентиран под ъгъл 45° по отно-
шение на посоката на редовете). За повечето фнгури грешката е
от порядъка на 30% и може да се отчита като систематична.
Вторият начин за определяне на периметъра на детайли из-
ползува метода на Бюфон за определяне на числото л. Периметъ-
рът се определи по формулата
п
(5.11) Р=п z- 2,tz. при P^d,
1=2
където d e разстоянието между редовете в растера; i — броят на
експериментите); /д — броят на пресичанията на линията на пе-
риметъра от редовете на растера при г-тия експеримент.
За да се увеличи точността на определяне на периметъра, тряб-
ва да се извършват възможно по-голям брой измервания, като
всеки път се изменя положението на детайла спрямо растера
(например с ротация). По подобен начин се определят площта на
изделията, центърът на симетрия и други геометрични признаци,
необходим!! при анализа на изображенията и сцените.
5.3. СИСТЕМИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА РАЗСТОЯНИЕ
Освен определяне на формата и геометричните параметри на
обектите е необходимо и точного определяне на тяхното местополо-
жение. Един от методите (5.2) се основаваше на използуване на
.комбинация от телевизионна камера и светлинен източник. Из-
мерване на разстояние може да се осъществи и при монокулярен
тип телевизионен визуален сензор. Определянето на разстояние с
една предаваща телевизионна камера се базира на предпоставките
на управляващата система на робота (модела на работната среда
и знанията за двумерного представяне на тримерните обекти).
Забележителни са качествата на човека за почти безпогрешно
разпознаване на визуалната информация. След като всяко изоб-
ражение представлява част от реалната среда, зарегистрирана
•с телевизионната камера или друг уред с аналогично предназна-
чение, то е перспективно преобразуване на тримерните образи.
Преобразуването се състои от проектиране на всяка точка от
наблюдаваното пространство през фокуса върху някаква рав-
нина. То се описва с еднородна матрица R с размерност 4x4,
която трансформира точките от реалния свят в точки от двумерно
изображение. Преобразуването завися от възможностите на ви-
зуалния сензор и от координатната система, свързана с наблю-
давания обект. Нека координатната система е фиксирана към
равнината на изображението (фиг. 5.11), при което фокусът е
/=х и следователно изображението е дейстаително, т. е. фокусна-
та равнина се намира пред камерата. Обективът на камерата се
намира в полупространство™ х<0, а фокусната равнина е дей-
ствителната равнина на изображението. Стойността на фокус-
135
ното разстояние f е параметър, който е известен от избора на каме-
рата и обектива. В равнината на изображението разглеждаме
квадрат с център в точката (?/0, г0) и размер на страната 2 а. За-
дачата се състои в определянето на величините у0, z0, f и а, тъй като
те могат да се изчислят от изображението при никои предвари
телни предположения. За удобство може да се допуске, че отно
шението a/f е известно и че yo=zo=0. Определянето на абсолют*
ните стойности на а и [ поотделно не се изисква, тъй като те за*
дават само мащаба на преобразуването, което за дадена камера-
е известно. Ако се означи r=a!f, матрицата на пространственото
преобразуване на изображението R има вида
(5.13) /?=
1
О
О
о
О 0—г
1 О О
О 1 О
О О 1
Ако една точка от обекта се описва о г тримерния вектор V=
—(х, у, z), точката VR ще принадлежи на перспективного про-
странство, като координатите й съответствуват на проекцията на
точката V върху равнината на изображението. За извършване на
обратного преобразуване се използува обратната матрица R'1.
Всеки реален обект може да бъде построен от отделни състав-
ни части, конто са предварително известии (задача за синтез).
Следователно целият обект е резултат на преобразуване на по-
рано формиран модел. Единственото изискване към такъв модел е
той да дава пълно описание на тримерната структура на обекта.
На преобразуването от модела към реалния обект съответствува
136
матрица Т. Допускат се произволни ротации и премествания на
модела, като към тях се добавят и три мащаба за размерите по
всяка от декартовите координатой оси. По този начин са налице
9 степени на свобода. Една матрица с размерност 4x4 допуска
15 степени на свобода (има 16 елемента), като общият мащаб на
матрица в еднородни координата е произволен. Оставащите 6
степени на свобода на матрпците на преобразуване представляват
изкривяванията и перспективнпте грешки.
Еднородни координата на една точка от тримерното простран-
ство се наричат конто и да са четири числа (х4, х2, х3, х4), конто
не са одновременно равни на пула и са свързани с декартовите
координата (х, у, z) с равенствата
(5.13)
X-i Хп Хп
х= 1 , v=—, z = — —.
Xi Х4 ’ Xi
Вижда се, че еднородните координати са нееднозначно опре-
делени. Така например, ако (х3, х.2 х3, х4) са еднородни коорди-
нати на една точка, числата (Ахт, Ах2, Ах3, Ах4) при А=^0 също ще
бъдат еднородни координати на тази точка. Очевидно за всяка
точка (х, у, г) от пространството може да се посочат четири числа,
конто да са еднородни координати, например (х, у, z, 1). Обрат-
ного е вярно само за х4=0. Ако не е изпълнено, не може да се
посочи точка в пространството, за която числата (х4, х2, х3, 0) са
нейни еднородни координати. Този факт създава големи неудоб-
ства при разглеждането на преобразуванията. Ето защо се из-
ползува добавяне на нови елементи: безкрайно отдалечени точки,
прави и равнини.
Една точка, зададена с четири числа (х3, х3, х3, х4), се нарича
безкрайно отдал ечена по посока на вектора [Ах4, Хх2, Ах3], А=^=0,
х4=0. Всяко уравнение
с1х1+п2х2+с3х34-(г4х4=0
определи равнина, която при й1=-й.2=й3=0 е безкрайно отдале-
чена. Особените точки (1, 0, 0, 0), (0, 1, 0, 0) и (0, 0, 1, 0) пред-
сталяват безкрайно отдалечени точки съответно по осите ОХ,
OY, OZ, а точката (0, 0, 0, 1) е началото на координатната си-
стема.
Операциите с вектори, зададени с еднородни координати, се
дефинират така, че формулите за начисление на еднородните коор-
динати на резултатния вектор да не са в противоречие с фор-
мулите за работа с обикновените декартови координати. Така
например умножение на вектор А=[й1; а.2, а3, й4] със скалар s
се дефинира, като
137
sA = [or a2, a3, ajs].
Събирането и изваждането на векторите А = [а1; а2, а3, а4] и
& = [&!, Ь2, Ья, 64] дава резултатен вектор С = [<?!, с2, с3, с4], ком-
понентите на който се определят по формулата
C-a;±VU=1’2’3;
Декартовите координати на точка в правоъгълна координатна
система OXYZ могат да се изчислят, ако са известии координа-
тите на същата точка в друга правоъгълна система О' X'Y'Z' по
формулите за преобразуване:
(5-14)
i х— +12у'+l3z 4“ Ар
' y=mxx' + m3y'+m3Z+r2,
( z = nlx'+n2y' + n3z' + r3,
където гг, г„, г з са координатите на началото на координатната си-
стема О'X'Y'Z' в системата OX YZ, a Zz, mz и и, са единичните
вектори на ориентация на осите на системата O’X'Y'Z' също по
отношение на системата OXYZ. Ако с (лу , х2, х3, х4) се означат едно-
родните координати на същата точка в координатната система
О X} Z, а числата (ль х2, х3, х4) са еднородните й координати в си-
стемата О'X'Y'Z', винаги може да се приеме, че х4=х4, защото
еднородните координати могат да се умножават с всяко число,
различно от нула. Като се заместят еднородните координати във
формулите (5.14), се получава проективното преобразуване:
x1 = i1x'1 +/2х^+13х'3+г1х'4,
x2=m,Xy+m2x^ym3x3+r2xi,
(5- °) x3=nlXy + n2x^+nyc3+rsx',
Х4 = х4.
По този начин еднородните координати на точка в различии
координатни системи са свързани с преобразуване, което се за-
дава с матрицата Т от вида
Is rl
т4 т2 т3 г2 | 1 1 г
(5.16) Т = Пу п2 п3 |г8 0 1 ’
0 0 0 1 1
където за удобство матрицата на единичните вектори, с която се
задава ротацията, има размерност 3x3 и е означена с I, а векто-
133
рът на успоредно-паралелното пренасяне — с вектора-стьлб г. Две-
те преобразувания на координатните системи: успоредно пре-
насяне и въртене в еднородни координати, се извършват с едно
единствено матрично преобразуване:
(5.17) х = Тх'.
Този начин на завис се използува за геометрични, кинема-
тични и динамични съотношения на сложни пространствени транс-
формации и механизми. Чрез използуване на модели на обектите
и с помощта на перспективната геометрия се определи точната
ориентация и местоположение на реалния обект, с изключение на
един неизвестен параметър — отдалечеността от центъра на коор-
динатната система на робота. Това е еквивалентно на опреде-
лянето на паралелния пренос по оста X, т. е. разстоянието. В тази
насока могат да се използуват различии предположения. Напри-
мер, ако са известии размерите на обектите, могат да се изчислят
разстоянията между тях във функция от мащаба на изображението
върху камерата. Друга възможност предлага интерпретацията на
сенките, конто се хвърлят от обектите. Частичного закриване на
един обект от друг също дава представа за отдалеченост, но под
4>ормата на неравенства.
Основният практически метод за определяне на разстояния се
основана на т. нар. теорема за опората. Съгласно нея се пред-
полага, че всеки обект лежи върху друг обект или върху опор-
ната равнина. Това предположение позволява мислено да ср
проектира даден обект по продължение на оста X, докато опре
до равнината на опората или до друг обект. При получената
обратна проекция моделът отразява разширението на обекта,
за да запази неизменено изображението във фокалната равнина.
За определяне на разстоянията до обектите трябва да са известии
височината на камерата над опорната равнина и фокусното раз-
стояние г (което може да се из числи). При използуването на сте-
реометод за анализ на визуални изображения с две камери, чиито
оптични оси са успоредни и перпендикулярни на базисната ли-
ния, определена от камерите, изчисляването на разстоянието е
чисто геометрична задача. Достатъчно е да се знае базисного раз-
стояние d, фокусното разстояние и хоризонталният паралаке на
точките от обекта.
Преобразуването на еднородните координати на обектите има
широко приложение. При изеледване на управляващата система
на робота с дисплеи за изобразяване на работните ситуации и при
управлението на роботи с визуална обратна връзка и обработка
от ЕИМ се налага решаването на задачи за връзката между дву-
139
мерните изображения и тримерните пространствени свойства на
работната среда. По плоското изображение трябва да се опреде-
лят пространствените характеристики: размери, ориентация,
взаимна връзка между обектите. В задачите за моделиране, об-
ратно, се конструират двумерни изображения на пространствени
сцени със средствата на машинната графика и теорията на пер-
спективните построения. Целта на такова моделиране в робото-
техниката е изучаването на обемно-пространствените характери-
стики на обектите, когато те са представени във вид, в който се
получават на изхода на сензорните телевизионни системи. Ос-
новно направление в тази облает е използуването на метода на
централното проектиране, което се реализира технически от
телевизионните предаващи камери, фотоапаратите и други ана-
логични уреди. С известно приближение се приема, че централното
проектиране съответствува в достатъчна стелен на физиологичния
процес на виждане у човека. Този метод се използува широко в
практиката на човека, напр. в изобразителното изкуство, архи-
тектурата и др.
Освен техническата реализация на визуалните сензорни уст-
ройства основен е проблемът за алгоритмичната обработка на
полученото при работата им плоско изображение, т. е. различ-
ните методи за цифрова филтрация на изображенията, отделяне
на контурите на обектите, непротиворечива трактовка на наблю-
даваните тримерни сцени, докато се достигне до определянето
на необходимите параметри за управление на механизмите на
роботите с цел манипулиране с определен!! обекти в рамките на
наблюдаваните ситуации. Поради обема и сложността му този
проблем трябва да се разглежда отделно.
140
ЛИТЕРАТУРА
1. Василенко, В. А., А. Н. Романов. Обучение автоматов рас-
познаванию изображений. М., Энергия, 1973.
2. 3 а н г е р, Г. Электронные системы. Теория и применение. М., Мир,
1980.
3. К атыс, Г. П. Визуальная информация и зрение роботов. М., Энер-
гия, 1979.
4. П о л о н и к, В. С. Телевизионная автоматика. Л., Энергия, 1970.
5. Попов, Е. П., А. Ф. Верещагин, С. Л. Зенкевич. Манипу-
ляционные роботы. Динамика и алгоритмы. М., Наука, 1978.
6. П о п о в, Э. В., Г. Р. Ф и р дм а н. Алгоритмические основы интеллек-
туальных роботов и искусственного интеллекта, М., Наука, 1976.
7. Пособие по применению промышленных роботов. Под ред. Кацухико
Нода. М., Мир, 1975.
8. Применение цифровой обработки сигналов. Под ред. Э. Оппенгейма.
М., Мир, 1980.
9. Т у, Д ж., Р. Гонсалес. Принципы распознавания образов. М.,
Мир, 1978.
10. Управление роботами от ЭВМ. Под ред. Е. И. Юревича. Л., Энергия,
1980.
11. Фукунага, К. Введение в статистическую теорию распознавания
образов. М., Наука, 1979.
12. Ш и б а н о в, Г. П. Распознавание в системах автоконтроля. М., Ма-
шиностроение, 1973.
13. Юр е в и ч, Е. И и др. Устройство промышленных роботов. Л., Машино-
строение, 1980.
14. Интегральные роботы. Под ред. Г. Е. Поздняка. М., Мир, 1975.
15. Inohe. Н. Tactile pattern recognition for manipulating objects. ETL&
Gr. Technical, Note № 2, Tokyo, 1973.
16. L а г с о m b e, M. Tactile perception for robot devices. Proc, l-st Conf,
on Industrial Robot Technology, Nottingham University, 1973.
17. Pag e, C. J., A. Pugh, W. B. Heginbotham. Tactile imaging for compo-
nent recognition. Cambridge-02018, 1976.
18. P a g e , G. J. Visual and tactile feedback for the automatic manipulation
of engineering parts. Ph. D. Thesis, Nottingham University, 1974.
19. T a k e d a , S. Study of artificial tactile sensors for shape recognition —
Algorithm for tactile data input. Tokyo, 1977.
141
СЕНЗОРНИ УСТРОЙСТВА ЗА РОБОТИ
Автори проф. д.т.н. инж. Юлиян Първов Маринов
к.т.н. Веселая Емилов Димитров
Рецензент»: к.т.н. инж. Басил Иванов Василев
к.т.н. инж. Недко Стефанов Шиваров
Първо издание
Научен редактор инж. Мариана Рихтер
Художник Кремен Бенев
Художник-редактор Вени Кантарджие за
Техн, редактор Мария Йорданова
Коректор Анушка Михайлова
Дадена за набор на 6. I. 1982 г.
Подписана за печат на 28. X. 1982 г.
Излязла от печат на 4. XI. 1982 г.
код 03 № 12715
<51 Уо—02-
Формат 60x84/16 УИК 8,46
Печатяи коли 9,00 Изд. коли 8,40
Тираж 1500+107 Цена 0,66 лв.
ДИ „Техника", бул. Руски 6, Софи»
ДП „Г. Димитров" — Дмбол