УЗЕЛ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ УЧЕБНОГО РОБОТА

К заявке на полезную модель
МПК14 B25J 13/00
УЗЕЛ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ УЧЕБНОГО РОБОТА
Полезная модель относится к области робототехники и может быть использована для управления роботом, используемым в частности при проведении лабораторных работ в процессе обучения студентов.
В современных учебных лабораториях все чаще предлагается использовать робототехнику, например различные робототехнические устройства, облегчающие проведение исследований, подбор необходимого оборудования и инструмента. Проведение лабораторных работ иногда сопровождается необходимостью затемнения помещения, например, в физических лабораториях при изучении различных оптических явлений. Поэтому создание узла технического зрения, обеспечивающего позиционирование робота в пространстве и позволяющее роботу функционировать в условиях слабого освещения, представляется важной задачей.
Известен робот, оснащенный узлом технического зрения с устройством лазерного сканирования (патент РФ № 2407633). Существо известного технического решения заключается в том, что выполняют операцию сканирования ячейки хранения посредством линейного лазерного сканера. Результат сканирования используют для выработки виртуальной поверхности, которая отображает отсканированную область. Виртуальную поверхность сравнивают с заданным предметом, соответствующим предмету, извлекаемому из ячейки хранения. Таким образом, идентифицируется часть виртуальной поверхности, которая соответствует заданному предмету. Затем манипулятор робота перемещают к местоположению, соответствующему идентифицированной части виртуальной поверхности, и он извлекает предмет из ячейки хранения.
Недостатком известного технического решения является использование устройства лазерного сканирования, которое может нарушить условия затемнения лабораторного помещения и повлиять на результаты измерений параметров изучаемых оптических явлений.
Известен робот (патент РФ №2361726), система управления которого содержит компьютер, размещенный в корпусе робота, с установленными на нем предварительно обученными нейронными сетями, узел технического зрения, состоящий из телекамер, установленных на голове робота, и блока обработки видеосигналов. Тактильные датчики расположены на внутренних поверхностях кистей робота и соединены с входами микроконтроллера. На указательном пальце одной из кистей робота размещен световой маячок, обеспечивающий правильное позиционирование манипулятора робота. Применение робота включает предварительное обучение трех нейронных сетей на выполнение задач, связанных с захватом и удержанием различных объектов, формирование конечной выборки изображений взаимного расположения робота и объекта и подбор соответствующих им значений углов поворота корпуса, манипуляторов и кистей робота, а также степеней сгибания пальцев и степеней искривления ладоней. Перед введением робота в эксплуатацию необходимо провести предварительное обучение. Предварительное обучение производится оператором (человеком).
Недостатком данного робота является наличие светового маячка, что не позволяет использовать его в затемненном помещении. Кроме того, узел технического зрения не обеспечивает ориентирования робота в пространстве и его позиционирования с достаточной точностью.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является узел технического зрения (патент США №6721444, опубл. 13.04.2004 года), с помощью которого может быть осуществлено трехмерное определение положения объекта. Узел содержит две телекамеры, размещенные с возможностью получения стереоизображения объекта. Камеры связаны с компьютером, осуществляющим обработку двумерных изображений с каждой камеры и формирование стереоизображения. По полученному стереоизображению определяются координаты и размеры объекта, производится его идентификация, определяется расстояние до объекта.
Недостатком данного узла технического зрения является сложность конструкции и существенная зависимость точности определения координат трехмерного положения объекта, в частности расстояния до него, от степени освещенности помещения в котором функционирует робот.
В основу полезной модели положена задача упрощения конструкции узла технического зрения робота, а также обеспечение возможности функционирования робота в затемненном помещении.
Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей за счет возможности фукнционирования в затемненном помещении.
Заявленный технический результат достигается тем, что узел технического зрения робота, содержащий, по крайней мере, одну телекамеру, выход которой связан с компьютером, имеющим устройство обработки видеосигнала, согласно полезной модели, снабжен датчиком освещенности, подключенным к компьютеру и датчиком перемещения телекамеры, а устройство обработки видеосигнала выполнено в виде блока формирования контурного изображения, связанного с выходом телекамеры, и блока расчета перемещения телекамеры, вход которого связан с датчиком перемещения.
Возможность достижения заявленного технического результата обусловлена тем, что зная абсолютную величину, на которую осуществилось перемещение камеры, и изменение линейных размеров изображения целевого объекта в плоскости изображения телекамеры, можно определить расстояние до объекта, реальные линейные размеры которого неизвестны. Использование информации об уровне освещенности обеспечивает корректирование изображения, получаемого телекамерой, и повышает тем самым точность обработки видеосигнала, что в свою очередь обеспечивает повышение точности позиционирования робота, в том числе точности определения расстояния до объекта.
Существо полезной модели будет понятно из последующего подробного пояснения на примере конкретной реализации со ссылкой на чертеж, где показана блок-схема узла технического зрения учебного робота.
Узел технического зрения учебного робота содержит, по крайней мере, одну телекамеру 1, выход которой связан с компьютером 2, имеющим устройство 3 обработки видеосигнала. Узел технического зрения снабжен датчиком 4 освещенности, подключенным к компьютеру 2 и датчиком 5 перемещения телекамеры 1. Устройство 3 обработки видеосигнала (обозначено пунктирной линией) выполнено в виде блока 6 формирования контурного изображения, связанного с выходом телекамеры 1, и блока 7 расчета перемещения телекамеры, вход которого связан с датчиком 5 перемещения.
В качестве датчика 4 освещенности может применяться фотоэлектрический преобразователь полупроводникового типа, обеспечивающий преобразование проецируемого светового потока в электрический сигнал, уровень которого пропорционален средней освещенности. Датчик 4 освещенности, обеспечивающий преобразование среднего уровня освещенности проецируемого изображения в электрический сигнал используется для адаптации устройства обработки видеосигнала к изменению условий функционирования робота. В соответствии с уровнем сигнала на выходе датчика 4 освещенности выполняется адаптация устройства обработки узла технического зрения к условиям функционирования робота.
Блок 6 формирования контурного изображения представляет собой блок пространственного дифференцирования видеосигнала и сравнения результата дифференцирования с пороговым значением. Пороговое значение может меняться в зависимости от среднего уровня освещенности, который определяется датчиком 4.
Устройства, предназначенные для выделения контуров объектов на телевизионном изображении и работающие в реальном масштабе времени широко известны. Известно также использование подобных устройств в системах технического зрения (см., например, патент РФ №2095756).
Телекамера 1 закреплена на корпусе робота с возможностью линейного перемещения относительно последнего. Датчик 5 перемещения телекамеры 1, в простейшем случае, может быть выполнен в виде реостатного датчика ползункового типа, где ползунок реостата соединен с телекамерой 1, а обмотка датчика 5 жестко соединена с корпусом робота. Перемещение телекамеры 1 в этом случае будет пропорционально изменению сопротивления датчика 5.
Как уже указывалось, в блоке 6 формирования контурного изображения осуществляется выделение на изображении границ между объектами и фоном, формируется контурное изображение. Контурное изображение формируется путем пространственного дифференцирования видеосигнала и сравнения результата дифференцирования с пороговым значением. Пороговое значение регулируется в соответствии со средним уровнем освещенности. Такой подход позволяет выделить граничные точки на изображении, т.е. точки, которые принадлежат границе между объектом и фоном.
Использование узла технического зрения, дополненного устройством обработки видеосигналов, которое выполнено в виде блока 6 формирования контурного изображения и блока 7 расчета перемещения обеспечивает автоматическое измерение расстояния до объектов. В каждый текущий момент времени (например, за каждый телевизионный кадр) на видеовыходе телекамеры 1 будет формироваться изображение, несущее информацию о целевых объектах, на которые направлено действие. Телевизионный сигнал с видеовыхода поступает на вход блока 6 формирования контурного изображения. В блоке 6 осуществляется выделение на изображении границ между объектами и фоном, формируется контурное изображение. Контурное изображение формируется путем пространственного дифференцирования видеосигнала и сравнения результата дифференцирования с пороговым значением. Пороговое значение регулируется в соответствии со средним уровнем освещенности.
Контурный рисунок с выхода блока 6 поступает на вход блока памяти компьютера 2 и записывается в него. Затем в блок памяти компьютера 2 поступает информация о величине перемещения телекамеры 1 с выхода блока 7 расчета перемещения. Контурное изображение из блока памяти считывается в процессор компьютера 2, в котором осуществляется анализ контурного изображения и измерение линейных размеров контурного рисунка объекта, находящегося в центре изображения. Затем через интервал времени t (кратный длительности телевизионного кадра) текущее телевизионное изображение с выхода телекамеры 1 при помощи блока 6 преобразуется в контурный рисунок и опять записывается в блок памяти компьютера 2. Затем туда же записываются показания о величине перемещения телекамеры 1 с выхода блока 6. Контурный рисунок с выхода блока памяти считывается в процессор компьютера 2, который осуществляет анализ изображениях и измерение линейных размеров контурного изображения целевого объекта.
Вычисление расстояния до объекта в текущий момент времени осуществляется на основании известной формулы (см., например, патент РФ № 2095756):
0
0
D(t)=S(t)×N/(N(t)-N),
где
D(t) - расстояние до объекта;
S(t) - расстояние, на которое переместилась телекамера;
0
N- размер изображения объекта до перемещения телекамеры;
N(t) - размер изображения объекта после перемещения телекамеры.
0
Данное выражение описывает способ определения расстояния до неподвижного объекта при помощи одной телекамеры на основании анализа размеров изображения объекта в плоскости изображения в моменты времени t и t.
При определении расстояния до объекта при помощи предложенного технического отпадает необходимость заранее определять реальные линейные размеры и ориентацию объекта на наблюдаемой сцене. Это позволяет определять расстояние до объектов, линейные размеры которых заранее неизвестны. Использование информации об уровне освещенности обеспечивает корректирование изображения, получаемого телекамерой, и повышает тем самым точность обработки видеосигнала, что в свою очередь обеспечивает повышение точности позиционирования робота, в том числе точности определения расстояния до объекта.