РОБОТОТЕХНИКА

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГЛАЗ

Разновидностью робототехнической сетчатки, в которой при­меняются волоконно-оптические световоды, является глаз «Ии - три». Здесь используются два переплетенных пучка световодов; один для переноса света от его источника к объекту, а другой для обратного переноса — от объекта к матрице оптических чувстви­тельных элементов. Сигналы с выхода элементов подаются на электронный блок распознавания. Последний не обрабатывает информацию, поступающую от сетчатки, если она освещена силь­ным светом, ослепляющим «глаз», или, наоборот, недостаточно освещена для распознавания, или если имеется замыкание либо другие неисправности. Эффективный диапазон видения такого устройства может изменяться в пределах от 1,5 до 50 мм и опре­деляется требуемой разрешающей способностью и природой рас­сматриваемой детали. На расстояниях до 20 мм обнаруживаются смещения порядка +0,75 мм и можно рассчитывать на повышение достигнутой разрешающей способности путем усовершенствова­ния оптики.

В конечном итоге можно надеяться на производство октаго нального глаза, содержащего около 1200 оптических элементов, приблизительной стоимостью менее 500 фунтов стерлингов.

13.4. ГЛАЗ,

СЛЕДЯЩИЙ ЗА ДВИЖУЩИМСЯ ОБЪЕКТОМ

Если глаз робота должен рассматривать объект, движущийся в пределах поля зрения, то проектировщик может применить ряд способов его технической реализации. При сканировании непо­движного объекта, расположенного перед глазом, обычно произ­водится быстрое скачкообразное движение; за ним следует период покоя, во время которого осматривается сцена, а затем происходит скачкообразный переход в следующую позицию. Этот способ используется человеком при чтении печатного материала.

В ряде случаев рассматривания движущегося объекта с целью удержания на сетчатке неподвижного изображения осуществляется движение головы [32]. Если голова удерживается от движения, действие становится более сложным.

Когда движения наблюдаемого объекта предсказуемы, напри­мер движения маятника, нетрудно следить за ним, вращая глаз­ное яблоко. Очень может быть, что в этом случае нервная система человека использует фазовое опережение перемещения глаза по отношению к движению объекта величиной порядка 10°. К тому же амплитуда перемещения глаза немного превосходит перемещение наблюдаемого объекта.

Однако, если объект колеблется чаще одного раза в секунду, коэффициент передачи следящей системы быстро уменьшается и фазовый сдвиг быстро нарастает. Соответствующая передаточная функция может быть представлена как

1,08

' (1 + 7»2 (1 2КТр + Т*р2)" ’

где Т^0,1 с; К *=> 0,35 — коэффициент демпфирования.

В то время как это выражение хорошо согласуется с амплитуд­ными характеристиками следящей системы, оно не согласуется с ее фазовыми характеристиками, полученными в результате изме­рений. Это расхождение может быть скорректировано введением дополнительного члена, имеющего значение ехр {рТг), где 7 ^

0,3 с.

В тех случаях, когда перемещения рассматриваемого объекта случайны и когда в процессе рассматривания движется голова, движения глаза становятся более сложными, чем можно было ожидать, хотя и тогда делаются попытки их математического описания.

Принято считать, что «глаз» робота должен располагаться в его «голове», что, конечно, совсем не обязательно. Имеется ряд преимуществ при расположении глаза на руке подвижного робота 238 при условии, что он может быть защищен от повреждения. Такое расположение может обеспечить очень гибкий вариант зритель­ного устройства, но требуемые системы управления должны быть более сложными, и маловероятно, что такой подход будет приме­няться в ближайшем будущем. С другой стороны, размещение глаза малого размера и массы на руке обычного робота может оказаться крайне полезным, даже если разрешающая способность будет весьма ограничена. Описан вариант размещения глаза в кисти робота [35].

В экспериментальных целях движение глаза человека обнару­живается регистрацией потенциалов, наводимых магнитным нолем в катушке, встроенной в контактную линзу [3]. Подобный метод может быть применен и для глаза робота.

Есть основания полагать, что по крайней мере некоторая часть обучения процессу видения осуществляется по мере раз­вития организма человека. Один очень интересный факт, отража­ющий нашу точку зрения, состоит в том, что люди, потерявшие зрение в раннем возрасте и восстановившие его в результате хи­рургического вмешательства будучи взрослыми, испытывают силь­ные затруднения при визуальном различении геометрических фигур, которые они легко различают осязанием. Например, если таким людям показывают квадрат и треугольник, они, хотя и воспринимают последние как разные фигуры, не могут их разли­чить до тех пор, пока не ощупают фигуры и не определят ося­занием число углов. Опыты с животными, например с котятами, убедительно показали, что проходит некоторый процесс обучения, прежде чем зрительный образ связывается с осязанием и движе­ниями тела, в котором участвуют мышцы животного. Может быть, мы еще слишком рано пытаемся создать распознающие обуча­ющиеся машины, еще не способные к движению и связыванию его с визуальными входными сигналами. Очень может быть, что при рассматривании объекта движения мышц ассоциируются с на­блюдаемым зрительным образом. Интересно отметить, что граница сетчатки, которая, по-видимому, играет важную роль в наведении глаза на интересующий объект, может иметь огромное значение для процесса обучения в дополнение к своей функции предупре­ждения о приближающихся объектах.

Успеху исследований движений глаза и головы, направленных на центрирование изображения на сетчатке, несомненно, способ­ствовали работы по управлению движением телевизионной ка­меры в ответ на перемещения головы оператора. Первое устрой­ство такого рода было создано Филсом в 1958 г. Оно имело отно­сительно широкий угол зрения и низкую разрешающую способ­ность, но, безусловно, продемонстрировало целесообразность такого подхода [4].

Позднее в Аргоне была создана более совершенная система [5, 6]. В ней сохранялась наводка трубки монитора на глаза оператора при поворотах головы на ±80° и наклонах ее от +45 до —30°. Экран монитора располагался в 60 см от лица оператора, в то время как камера помещалась в 100 см от исполнительного органа дистанционного управляемого манипулятора. Максималь­ная скорость поворота камеры и монитора составляла 30° в се­кунду.

Датчик, укрепленный на голове оператора, был уравновешен, так что последний испытывал лишь небольшое противодействие. Оказалось целесообразным введение зоны нечувствительности величиной 7—12°, так как это предотвращало раздражение опе­ратора, вызываемое движениями монитора вслед за непроизволь­ными движениями его головы. Эти непроизвольные движения мо­гут вызывать также искажения изображения из-за конечного значения постоянной времени видикона.

В более поздней работе камера следовала за движениями го­ловы оператора в трех измерениях: из стороны в сторону, вверх и вниз, вперед и назад. Для устранения случайных движений здесь также была введена мертвая зона. Угол зрения составлял 30°. При работе с этой системой оказалось, что оператор может получить большую глубину видения (или трехмерную информа­цию) только за счет движений головы.

Максимальные угловые перемещения этой системы составляли ±90° при поворотах головы и ±45° при наклонах; максимальная скорость достигала 23° в секнуду. Диапазон перемещений из сто­роны в сторону и вперед-назад с максимальной скоростью 4 см/с имел величину порядка ± 30 см; движение вверх-вниз соответ­ствовало отклонению на 30 см вниз от нормального положения, при этом максимальная скорость по-прежнему составляла 4 см/с.

Разработка подобных систем может служить примером при создании настоящих и будущих устройств для зрительных систем роботов.

Уолтер указал на то, что «решение» о движении глаз, по-види­мому, сопровождается неким видом процесса гашения, исключа­ющего подергивание картины при движении глаза [7 ]. Этот процесс отсутствует при пассивном движении глазного яблока. Такой про­цесс гашения желательно веєсти в зрительную систему робота.

Интересно отметить, что некоторый объем зрительного ана­лиза может осуществляться мозгом вообще без участия движения глаз [8].

Рис высказал ценное соображение об использовании телеви­зионной камеры в качестве глаза робота и получил ряд экспери­ментальных результатов [18].