РОБОТОТЕХНИКА

БИНОКУЛЯРНОЕ ЗРЕНИЕ

У большинства животных два глаза. Как хорошо известно, использование двух глаз дает не только увеличение избыточности, благодаря которому недостатки зрения, вплоть до потери его в од­ном глазу, становятся менее существенными. Хотя эта избыточ­ность представляет собой важную инженерную характеристику и повышает надежность организма, в равной степени важной функцией, определяемой наличием пары глаз, является восприя­тие расстояния. Предметы, находящиеся в пределах порядка 6 м от глаз, дают на сетчатке обоих глаз достаточно различающиеся изображения, которые сравниваются в нервной системе и исполь­зуются для определения расстояния. Если оба глаза сфокуси­рованы на определенном предмете, то информация о взаимном расположении глаз может использоваться для определения рас­стояния до предмета.

Едва ли в ближайшем будущем роботам, за исключением ро­ботов специального назначения, понадобится бинокулярное зре­ние. Однако роль зрительной системы человека в восприятии условий окружающей среды указывает на огромную важность применения в роботе двух глаз с точки зрения избыточности. В на­ших исследованиях, посвященных простым подвижным роботам, которые проводились в Астоне, мы нашли полезным снабдить робот двумя простыми одноэлементными «глазами» с различной чувствительностью. Это позволило избежать применения диа­фрагмы в таких простейших глазах, но не использовалось нами для бинокулярного зрения. Такой подход напоминает функциони­рование палочек и колбочек, обладающих в глазе человека раз­личной чувствительностью.

Можно полагать, что между системой, вращающей глазное яблоко и тем самым сводящий глаза для рассматривания близко расположенных предметов, и более сложным процессом аккомо­дации, осуществляемым на более высоком уровне в нервной си­стеме, имеется перекрестное взаимодействие. Аналогичное взаимо­действие требуется для сужения зрачка при рассматривании близко расположенных предметов.

Бинокулярное зрение можно использовать в работе системы, управляющей поворотом головы и тела, чтобы удержать в центре поля зрения рассматриваемое изображение. Однако последнее достижимо и при одном глазе; известно, что одноглазым людям это постоянно удается.

Робот, если понадобится, можно снабдить более чем двумя глазами; причем нет необходимости помещать их обязательно на «голове». В некоторых случаях практического применения роботов можно получить преимущество, разместив глаз или глаза на дру­гих частях робота, например на руке [30].

В экспериментах с копирующими манипуляторами, оснащен­ными телевизионными устройствами «видения», было обнаружено некоторое преимущество трехмерного видения перед обычным двумерным, но оно наблюдалось только в том случае, когда аппа­ратура трехмерного телевидения правильно установлена. При неудачном расположении аппаратуры двумерное видение дает в работе лучшие результаты [10].

В последнее время разработан жидкостный тип фотодетектора [11 ], который дает сигнал, зависящий от расположения детектора по отношению к источнику света. Для управления ориентацией космического корабля в пространстве в качестве такого источника выбирается солнце.

Было высказано предположение [12], что при бинокулярном зрении искажение изображения, вызванное оптическими шумами, меньше, чем при монокулярном.

Интересно, что мозгу человека требуется некоторое время, чтобы воспринять основной образ в какой-нибудь запутанной картинке. Это особенно наглядно демонстрируют некоторые из стереограмм, предложенных Джулезом [13, 14].

Сейчас разработаны различные типы электрооптических уст­ройств для определения направления [25, 26].

Клетки колбочки глаза человека чувствительны к цвету. Вполне возможно построить и чувствительное к цвету фотоэлек­тронное оборудование. Типичный пример такого устройства, почерпнутый из опыта автора,— промышленное роботоподобное приспособление со. светочувствительными клетками для сорти­ровки цветных конфет. Оно применялось с целью наполнения каждого пакетика конфетами, отобранными определенным обра­зом. (Такое оборудование необходимо в том случае, когда ранее наполненные пакеты разорвались и образовалась смесь цветных конфет). В нем перед каждой фотоэлектрической ячейкой уста­навливался определенный цветной фильтр, позволявший воспри­нимать свет только одного цвета.

Аналогичным образом используются фильтры в цветном теле­видении, где они устанавливаются перед трубкой телекамеры. Таким образом, принципиальных трудностей применения цвето­чувствительных устройств в роботах нет. Однако такие устройства неизбежно ведут к удорожанию оборудования. Кроме того, следует помнить, что многие животные и 10% людей неспособны различать цвета из-за цветовой слепоты. Однако животные и люди могут жить не имея цветового зрения, поэтому цветочувствительной апгіаратурой следует снабжать только те роботы, которым она необходима для выполнения специальных заданий.

Однако использование палочек и колбочек в сетчатке глаз робота для расширения диапазона чувствительности, даже в не­цветовой области, может оказаться желательным уже в самых простых роботах.

Чувствительность глаза человека ограничена обычным види­мым спектром цветов, но нет никаких причин вносить подобные ограничения в зрение робота. В то время как универсальные и домашние роботы не имеет смысла снабжать особой чувствитель­ностью к цвету, нетрудно создать робота специального назначения со зрительной системой, чувствительной к инфракрасному или ультрафиолетовому участкам спектра, к микроволновому диапа­зону и рентгеновским лучам или к любому типу электромагнит­ного излучения, для которого известны методы регистрации. Такие роботы специального назначения будут очень полезны для выполнения определенного рода заданий. Например, подвиж­ные роботы, чувствительные к инфракрасному излучению, были бы способны обнаруживать такие неисправности, как перегрев букс транспортного средства. Неоценимым орудием в руках людей, занимающихся искусством, окажется робот с ультрафиолетовым зрением. Можно привести множество таких примеров, когда чув­ствительность к излучению за пределами видимого спектра делает робот весьма полезным орудием.

Несмотря на то что способность робота «видеть», например в инфракрасной области [15, 18], можно использовать для осмотра окружающей среды, которая невидима для человека, значительно проще и дешевле (если только какие-либо причины, в частности секретность, не препятствуют этому) оснастить робот головным фонарем. Для ряда практических задач освещающую лампу можно жестко укрепить непосредственно на зрительной системе и таким образом обеспечить постоянное освещение. Поскольку лампа будет излучать некоторое тепло, можно рекомендовать изолировать ее от визуального датчика каким-либо плохим про­водником тепла, например тонким слоем воздуха. Датчики та­кого рода, сконструированные автором, в течение ряда лет успешно использовались в промышленном оборудовании [22].

Существуют различные задачи, связанные с подводным зре­нием, и хотя в прошлом применялись традиционные технические средства, в дальнейшем в зрительных системах роботов для рас­ширения рабочих возможностей по сравнению со зрением чело­века, вероятно, будет применяться техника, использующая отра­женные акустические импульсы и импульсы лазера для освещения.

Весьма примечательно то, что цветная картинка, грубо кван­тованная посредством квадратов и непонятная при хорошей фокусировке, легко распознается при дефокусировке, например, если человек с недостатками зрения снимает очки [23].

Аналогично тому как был сделан линейный фотодетектор на интегральных схемах с использованием линейки фотоэлементов с интегральным сканированием, были созданы инфракрасные линейные сканирующие устройства. В типичном исполнении в качестве инфракрасных детекторов использовались кристаллы триглицинсульфата, а усиление осуществлялось блоками из восьми предусилителей на интегральных схемах с полевыми тран­зисторами, созданными на основе металл-оксидной технологии 124].

В настоящее время серийно выпускаются различные типы оборудования, чувствительного к пламени. От оборудования одного из типов требуется широкий обзор пространства [28]. Некоторые виды такого оборудования используются для защиты от пламени и огня и управляют противопожарными средствами. Еще одни пример — датчик исчезновения пламени, который предотвращает залив оборудования печи невоспламеняющимся жидким топливом. Некоторые устройства индикации исчезновения пламени реаги­руют на мерцание пламени — это обеспечивает прекращение по­дачи топлива даже в том случае, когда, после того как пламя по­гасло, внутри печи продолжается свечение без мерцания в види­мой или инфракрасной области спектра.