2.3. Моделирование сс

2.4. Техническая реализация сс

Сенсорные системы в технической сфере – это чувствительные устройства, предназначенные для получения оперативной информации о состоянии внешней среды. В отдельных системах роботов имеются также различные чувствительные устройства – датчики, необходимые для функционирования этих систем (например, датчики обратной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т.п.). Эти устройства, ориентированные на внутренние параметры робота, не специфичны для него в целом и не относятся к сенсорным системам робота.

По выявляемым свойствам и параметрам сенсорные системы можно разделить на следующие три группы:

Системы, дающие общую картину окружающей среды с последующим выделением отдельных объектов, значимых для выполнения роботом его функций.

Системы, определяющие различные физико-химические свойства внешней среды и его объектов.

Системы, определяющие координаты местоположения робота и параметры его движения, включая его координаты относительно объектов внешней среды.

К сенсорным системам первой группы относятся системы технического зрения и различного типа локаторы. Вторая группа сенсорных систем наиболее многообразна. Это измерители геометрических параметров, плотности, температуры, оптических свойств, химического состава и т.д. Третья группа сенсорных систем определяет параметры, относящиеся к самому роботу. Это измерители его географических координат в пространстве от спутниковых систем до использующих геомагнитное поле Земли, измерители угловых координат (гироскопы), измерители перемещения и скорости, в том числе и относительно отдельных объектов внешней среды вплоть до фиксации соприкосновения с ними.

В составе робота все эти сенсорные системы ориентированы на обслуживание двух исполнительных систем – передвижения и манипуляционной. Это определяет и основные требования к сенсорным системам – дальность действия, точность, быстродействие и т.д.

Сенсорные системы, используемые в системах передвижения робота подразделяются на системы, обеспечивающие навигацию в пространств' и системы, обеспечивающие безопасность движения (предотвращение столкновений с препятствиями и опрокидываний на уклонах, попадали в недопустимые для робота внешние условия и т.п.).

Сенсорные системы, обслуживающие манипуляторы, тоже образуют две подгруппы: системы, входящие в контур управления движением манипулятора, и системы, очувствления его рабочего органа. В число последних систем часто входят размещенные у рабочего органа манипулятора системы технического зрения и измерители усилий.

Важным параметром сенсорных систем является дальность действия. По этому показателю сенсорные системы роботов можно разделить на контактные, ближнего, дальнего и сверхдальнего действия.

Контактные сенсорные системы применяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса (бампера) мобильных роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды (тактильные сенсоры), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (сило-моментные сенсоры), определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством. Контактным сенсорным системам свойственна простота, но они накладывают существенные ограничения на динамику и прежде всего на быстродействие управления роботом.

Тактильные сенсоры помимо получения информации о контакте применяются и для определения размеров объектов (путем их ощупывания). Они реализуются с помощью концевых выключателей, герметизированных магнитоуправляемых контактов, на основе токопроводящей резины («искусственная кожа») и т. д. Важным требованием, предъявляемым к этим устройствам, является высокая чувствительность (срабатывание при усилии в единицы и десятки грамм), малые габариты, высокая механическая прочность и надежность.

Сенсорные системы ближнего действия обеспечивают получение информации об объектах, расположенных в непосредственной близости от рабочего органа манипулятора или корпуса робота, т. е. на расстояниях, соизмеримых с их размерами. К таким системам относятся оптические локаторы, дальномеры, дистанционные измерители плотности грунта и т. п. Такие бесконтактные устройства технически сложнее контактны», но позволяют роботу выполнять задание с большей скоростью, заранее выдавая информацию о различных объектах до соприкосновения с ними.

Сенсорные системы дальнего действия служат для получения информации о внешней среде в объеме всей рабочей зоны манипуляторов роботов и окружающей среды мобильного робота.

Сенсорные системы сверхдальнего действия применяются главным образом в мобильных роботах. К ним относятся различные навигационные системы, локаторы и другие сенсорные системы соответствующей дальности действия. Эти устройства находят применение и в стационарных роботах при работе с подвижными объектами, чтобы заранее предвидеть их появление в рабочей зоне.

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой информации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т. д.) и естественные излучения среды и ее объектов. В зависимости от этого различают активные и пассивные сенсорные системы. Активные сенсорные системы имеют передатчик, излучающий первичный сигнал, и приемник, регистрирующий прошедший через среду прямой сигнал или вторичный сигнал, отраженный от объектов среды. Пассивные системы имеют, естественно, только приемное устройство, а роль излучателя играют сами объекты внешней среды. Поэтому пассивные сенсорные системы технически обычно проще и дешевле активных, но менее универсальны. Для некоторых применений важна также скрытность действия пассивных систем. (Заметим, что все органы чувств человека являются пассивными. Однако у некоторых животных (летучие мыши, дельфины), поскольку подобные системы и, прежде всего, зрение не обеспечивают их необходимой информацией, существуют и активные сенсорные системы.)

Наконец, сенсорные системы роботов можно разделить на системы с фиксированным направлением восприятия и с переменным (сканирующие).

В настоящее время для очувствления роботов наиболее широкое применение получили системы технического зрения, локационные, сило-моментные и тактильные. Наиболее универсальными из них являются системы технического зрения. Развитие систем технического зрения и использующих их очувствленных роботов стало одним из определяющих направлений современной робототехники. При этом наряду с изучением и использованием методов решения этой задачи, присущих живой природе, широким фронтом ведутся разработки технических решений, не имеющих аналогов в природе. По сравнению со зрением живых организмов задачи технического зрения проще, так как для них, как правило, существенно более ограничен и заранее известен перечень объектов внешней среды, с которыми предстоит иметь дело. Часто также существует возможность специально организовать внешнюю среду для облегчения работы видеосистем. Например, для распознавания объектов можно маркировать их, применять контрастирующие с объектами поверхности, на которых они расположены, специальные системы освещения и т. д.

Вместе с тем по сравнению с видеосистемами других назначений к системам, предназначенным для использования в составе роботов, предъявляются такие важные требования, как необходимость работать в реальном масштабе времени и иметь высокую надежность при невысокой стоимости.

Системы технического зрения могут быть монокулярными, бинокулярными (стереозрение) и многоракурсными (с большим числом «точек зрения»). Специфическим для роботов вариантом является применение подвижных видеосенсорных устройств, в том числе размещаемых непосредственно на манипуляторах.

Зрительная информация обрабатывается иерархически на нескольких уровнях аналогично тому, как это происходит в живых организмах. В аппаратной реализации эти уровни образуют 2 основных этапа обработки информации. Первый этап – предварительная обработка первичной зрительной информации с целью сокращения объема информации с выделением только той, которая необходима для функционирования робота при выполнении им конкретных операций.

Для этого используются методы пространственно-временной фильтрации, подобной реализуемой в нейронных системах живых организмов. Поэтому на данном этапе применяются технические нейроподобные структуры и аналоговые оптические системы параллельной обработки информации, в том числе с использованием голографических методов. Да втором этапе информация обрабатывается тоже иерархически путем последовательного выделения все более общих признаков объектов внешней среды и формирования моделей среды той степени абстракции, которая необходима для решения на ее основе конкретных задач, стоящих перед роботом.

Конструктивно сенсорные устройства размещают на рабочих органах манипуляторов (устройства ближнего действия), на корпусе робота или вне робота (устройства дальнего и сверхдальнего действия). На рис. 2.10 показаны примеры очувствленных схватов роботов.

Рис.2.10. Очувствленные схваты ЦНИИ РТК:

1 – СЗУ 1 с девятью ультразвуковыми датчиками;

2 – ССЛТ-1 с девятью тактильными и восемью световыми локаторами;

3 - ССЛТ-2 с 26 тактильными датчиками и 16 световыми локаторами;

4 – СУЗ-2 с 12 ультразвуковыми локаторами.