Щиток сварщика с искусственным интеллектом
WELDING SHIELD WITH ARTIFICIAL INTELLIGENCE

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для защиты человека во время сварочных работ. Более конкретно, изобретение относится к средству индивидуальной защиты, которое обладает искусственным интеллектом.
Уровень техники
Известен изогнутый автоматически затемняющий светофильтр (патент РФ №2719306, приоритет от 13.12.2012 г.), который под воздействием падающего света изменяет свое состояние от светопропускающего к затемняющему. Автоматически затемняющий светофильтр изготовлен способом, содержащим формирование жидкокристаллической ячейки. Изобретение обеспечивает снижение веса и расширение поля зрения для пользователя.
Недостатками щитков сварщика на базе этого устройства, а также других известных коммерческих сварочных щитков с автоматическими светофильтрами (https://fubag.ru/tips/pravilnyy-vybor-svarochnoy-maski-svetofiltr-konstruktsiya-funktsional/) являются:
• При обнаружении света электрической дуги для защиты сварщика от ослепления светофильтр переходит в режим затемнения, при этом область электрической дуги и небольшая область вокруг остается светлой, но не ослепляющей, а остальная область затемненной. Таким образом, хорошо видно только небольшая область вокруг электрической дуги. Сварщик не видит всего, что вокруг, например, сложно оценить, когда произойдет достижение конца места спайки, какая часть спайки выполнена. Нужно полагаться на визуальную память и оценивать интуитивно, либо временно прекращать сварку, для выхода светофильтров из режима затемнения.
• В режиме затемнения область электрической дуги и небольшая область вокруг остается светлой, а остальные участки затемнены. Такой режим является неестественным для органов зрения и приводит к повышенной утомляемости.
Наиболее близким техническим решением является щиток для сварочных работ (патент РФ №2457815, приоритет от 05.04.2011 г.), который содержит закрепленный на нем исполнительный механизм, смотровую щель и держатель со светофильтром, установленным с возможностью закрывания и открывания щели посредством механизма, пружину, мундштук и воздуховод. Конец мундштука расположен около губ. Исполнительный механизм выполнен в виде сильфона со штоком. Воздуховод неподвижно закреплен на лицевом щитке и одним концом соединен с мундштуком, а другим - с сильфоном, шток которого связан с поворачивающимся вокруг оси держателем светофильтра. Пружина закреплена на держателе и лицевом щитке.
Недостатками данного щитка являются недостатки, перечисленные для изобретения, рассмотренного выше. Также недостатком является необходимость для сварщика управлять перемещением светофильтра с помощью давления в ротовой полости.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом является улучшение условий труда, повышение производительности труда.
Задача решается следующим образом. Щиток сварщика с искусственным интеллектом, является надеваемым на голову устройством, содержит:
• автономный источник питания, например, аккумулятор;
• одну или несколько цифровых видеокамер на внешней стороне щитка, направленные по направлению прямого взгляда сварщика, позволяющие получить изображением с углом охвата не менее прямого взгляда сварщика, рассчитанные на стабильную работу в присутствии ярких источников света;
• дисплей на внутренней стороне щитка;
• оптическую систему, располагающуюся над дисплеем и позволяющую настроить изображение для индивидуальных особенностей зрения сварщика;
• Устройство для обработки данных, содержащее постоянное запоминающее устройство, оперативную память, один или более компьютерных процессоров, установленную операционную систему общего назначения. Также устройство для обработки данных имеет интерфейсы, к которым подключены упомянутые выше видеокамеры и дисплей.  Устройство для обработки данных содержит также установленное и сконфигурированное программное обеспечение, выполненное с возможностью:
◦ принимать данные от видеокамер;
◦ выполнять приложение искусственного интеллекта для обработки данных с видеокамер;
◦ передавать данные с видеокамер в приложение для искусственного интеллекта;
◦ выводить данные полученные из приложения искусственного интеллекта на дисплей;
• приложение искусственного интеллекта, функционирующее в устройстве для обработки данных, выполненное с возможностью:
◦ принимать видеоданные, полученные с видеокамер;
◦ с помощью алгоритмов распознавания образов детектировать появление сварочной дуги, изменять полученное изображение и на место сварочной дуги ставить комфортное для глаза освещённое пятно
◦ предавать обработанное изображение для вывода на дисплей;
◦ обеспечивать обработку видеоданных с задержкой визуально неощутимой для человека;
◦ обеспечивать настройку светочувствительности видеокамеры базируясь не на яркости дуги, а на комфортной для глаза сварщика яркости.
Из уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения и оказывающие такое же, как и они, влияние на технический результат, заключающийся в улучшении условий труда, повышении производительности труда. Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом:
• Хорошо видна не только небольшая область вокруг электрической дуги, а вся область в рамках осязания прямым зрением.
• Равномерно освещен весь экран, а не одно светлое пятно в области электрической дуги и небольшая область рядом. Такой режим является естественным для органов зрения и снижает утомляемость.
• Отсутствует необходимость для сварщика управлять перемещением светофильтра с помощью давления в ротовой полости.
Щиток сварщика работает следующим образом, после включения устройства или несколько видеокамер на внешней стороне щитка снимают видео и непрерывно передают изображение на устройство обработки данных. Устройство обработки данных и функционирующее на нем программное обеспечение покадрово передает видеоизображение в приложение искусственного интеллекта. Приложение искусственного интеллекта обрабатывает каждый кадр, используя алгоритмы распознавания образов, выявляет сварочную дугу при ее наличии. Изменяет полученное изображение, на место сварочной дуги ставит комфортное для глаза освещённое пятно. При этом, возможно применение цифровых светофильтров и дополнительное затемнение чрезмерно освещенной зоны вокруг сварочной дуги до уровня средней освещенности в области зрения, комфортного для глаз сварщика. При необходимости приложение искусственного интеллекта обеспечивает настройку  светочувствительности видеокамер, базируясь не на яркости дуги, а на комфортной для глаза сварщика яркости, для формирования изображения нужной яркости. Далее приложение искусственного интеллекта передает результирующее изображение через устройство обработки данных и подключенные к нему интерфейсы на дисплей для вывода.
Таким образом, в отличие от прототипа и известных технических решений, после включения щитка сварщика сварщик всегда видит равномерно освещённый экран. Равномерное распределение яркости в поле зрения имеет важное значение для обеспечения работоспособности человека [Алексеев С.В., Усенко В.Р. Гигиена труда.  М.: Медицина, 1988. Глава 19. https://nashaucheba.ru/v2562/алексеев_с.в.,усенко_в.р._гигиена_труда?page=22]. Данная возможность позволяет улучшить условия труда. Отсутствует необходимость для сварщика управлять перемещением светофильтра с помощью давления в ротовой полости. Данная возможность автоматически защищает зрение от перегрузок при возникновении сварочной дуги. Хорошо видна не только небольшая область вокруг электрической дуги, а вся область в рамках осязания прямым зрением. Сварщику не нужно прерываться, чтобы осмотреть область, на которой предстоит производить сварку, оценить, когда произойдет достижение конца места спайки, какая часть спайки выполнена. Не нужно полагаться на визуальную память и оценивать интуитивно. Данные особенности позволяют повысить производительность труда.
Осуществление изобретения
На внешней стороне щитка сварщика находятся одна или несколько видеокамер. Данные видеокамеры должны быть устойчивы к яркому свету и ультрафиолетовому излучению.
На внутренней стороне щитка над дисплеем располагается оптическая система, позволяющая настроить изображение с учетом индивидуальных особенностей зрения сварщика. В ее состав входят два регулятора. Один регулятор позволяет регулировать настройку для учета близорукости, дальнозоркости обоих глаз. Второй регулятор позволяет регулировать систему под остроту зрения одного из глаз, если глаза имеют разную остроту зрения.
Устройство для обработки данных содержит программное обеспечения, которое должно включать операционную систему реального времени. Операционная система реального времени позволяет гарантировать, что время задержки не будет превышать определенное значение времени. В качестве операционной системы реального времени можно использовать WindRiver Linux [https://habr.com/ru/company/intel/blog/173533/].
Задача детектирования образов относится к области искусственного интеллекта. Приложение, функционирующее в устройстве, детектирующее появление сварочной дуги, является приложением искусственного интеллекта. Существуют готовые библиотеки, которые позволяют детектировать образы в приложениях. Детектировать появление сварочной дуги приложение искусственного интеллекта может с помощью библиотеки детектора на основе машинного обучения Mask R-CNN [https://github.com/matterport/Mask_RCNN]. При этом в качестве обучающего набора данных для обучения модели на основе Mask R-CNN подойдет набор данных Common Objects In Context [https://cocodataset.org/#home]. Данный обучающий набор следует расширить размеченными изображениями со сварочной дугой. При этом следует подготовить заранее обученную модель на основе Mask R-CNN с упомянутым набором данных. Изменять полученное изображение и на его место ставить комфортное для глаза освещённое пятно приложение искусственного интеллекта может с помощью библиотеки OpenCV [https://pypi.org/project/opencv-python/].
Следует отметить, устройство для обработки данных и все его компоненты, включая постоянное запоминающее устройство, оперативную память, один или более компьютерных процессоров, интерфейсы должны обладать достаточным аппаратным быстродействием для обеспечения обработки и передачи видеоданных с задержкой визуально неощутимой для сварщика.
Также перед передачей обработанного изображения на дисплей приложение искусственного интеллекта может совмещать данные полученные с инфракрасных и видеокамер, и с помощью библиотеки OpenCV генерировать результирующее изображение с подсветкой горячих областей специальным диапазоном цветов. При этом информация о температуре поступает с одной или нескольких инфракрасных камер, а специальные цвета, характеризующие температуру поверхности, накладываются на видеоизображение пред отправкой на дисплей с внутренней стороны щитка. Также, например, в углу результирующего изображение может располагаться шкала цветов, показывающее примерное соответствие цвета и температуры в области сварки.
На дисплей может выводиться уровень заряда батареи, оставшееся время работы от батареи, текущее время. В угол дисплея может быть выведен мигающий индикатор, например, зеленый, который сигнализирует о корректной работе устройства.