РОБОТОТЕХНИКА

ПОДВИЖНЫЕ МАШИНЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ БОЛЬШОЙ ЭВМ

Ряд факультетов в различных университетах мира получил солидную финансовую поддержку, которая позволила вести ра­боту по управлению полностью подвижной машиной от большой цифровой ЭВМ.

Такие исследования проводились в М. I. Т. [33] под руковод­ством Минского и Паперта, в Стэнфордском университете под 132 руководством Маккарти [20, 35, 36] и в Эдинбурге под руковод­ством Мичи [4, 32, 65, 107, 124].

В МЛ. Т. весьма сложная суставная искусственная рука и кисть [33] управлялись ЭВМ PDP6, получающей информацию от телевизионной камеры. Кисть этой руки могла захватить и поднять кубики разных размеров, а затем собрать из них вполне определенную фигуру на заданной площади. Фигуры можно собирать в заданной последовательности.

Имея дело с такими сложными сборочными операциями, трудно выбрать задание, которое было бы не слишком трудным и не слишком простым. В Стэнфорде использовалась полностью под­вижная машина, смонтированная на управляемой тележке. В на­чале работы не стремились встроить ЭВМ в подвижное устройство, поэтому мощный кабель подводился к ЭВМ сверху. Тележка приводилась в движение двумя шаговыми двигателями с незави­симыми приводами к ведущим колесам на каждой стороне тележки. Телевизионная камера, установленная на тележке, также приводи­лась в движение шаговым двигателем. На первом этапе работы стзнфордская тележка не оснащалась рукой, но могла толкать объекты вдоль пути движения. На тележке устанавливался оп­тический дальномер, снабжавший ЭВМ дополнительной инфор­мацией по кабелю. В дальнейшем было решено заменить кабель­ные линии связи радиоканалами. Для управления использовалась большая ЭВМ, работающая в режиме с разделением времени.

Обнаружение контура изображения в электронной системе, связанной с телевизионной камерой, а также процессы дифферен­цирования, сегментирования изображения и реконструкции сег­ментов использовались в ЭВМ для построения эквивалентного линейного контурного рисунка осматриваемого объекта. Управле­ние движением тележки производилось прямым отсчетом коорди­нат от исходного положения, хотя этот способ ведет к ошибкам, связанным с проскальзыванием и неровностями поверхности.

В недавней работе над устройством «Фредди» на отделении машинного интеллекта Эдинбургского университета для искус­ственного зрения использовалась телевизионная камера на види - коне. Большая двухпалая рука управлялась ЭВМ по сигналам от телевизионной камеры. Эта работа была направлена главным образом на создание программного обеспечения для интегральной «познающей» системы, т. е. системы, которая может строить абстрактные модели внешнего мира и манипулировать ими [124,

Робот «Хивип» фирмы «Хитачи». Японский робот-рука «Хивип МКЬ фирмы «Хитачи» представляет собой сборочное устройство, которое осматривает ортогональную проекцию объ­екта сборки и составляющие его части, затем устанавливает последовательность сборки и управляет семистепенным манипу­лятором в процессе сборки. Эта работа фирмы «Хитачи» описана Июри и др. [50, 105, 106]. В отличие от первых промышленных роботов, для которых требовалось подробное программирование точной последовательности всех движений робота, инструкции для «Хивипа» задаются всего лишь в виде чертежа объекта сборки в трех проекциях аналогично тому, как это делается при выпол­нении сборки человеком.

Робот объединяет три подсистемы: «глаз», «мозг» и «рука». Одна из телевизионных камер на видиконе осматривает чертеж сборки, в то время как другая осматривает стол и определяет местоположение группы деталей, ожидающих сборки и произ­вольно расположенных на столе.

Каждое телевизионное изображение разбивается на 76 800 элементов: 240 по вертикали и 320 по горизонтали, и световой поток, отраженный от каждого из этих элементов, кодируется в аналого-цифровом преобразователе пятиразрядным кодом (32 уровня кодирования).

Вычисления, необходимые для управления движениями руки, осуществляются управляющей ЭВМ «Хитак-7250», которая имеет память на сердечниках объемом 32 768 16-разрядных слов и тре­бует 2 мкс на цикл и 4,5 мкс на операцию сложения. ЭВМ обра­батывает информацию о сцене, осматриваемой объективами ка­мер, до тех пор, пока не останется только одно требуемое изоб­ражение. Оставшаяся после обработки изображения информация «прореживается» в три шага: сначала каждый четвертый элемент изображения, затем каждый второй и вслед за этим отдельные элементы изображения вводятся в ЭВМ, которая сама выбирает соответствующий уровень для получения двухуровневого черно­белого изображения и может также дифференцировать изображе­ния для выделения контуров объектов.

Семистепенная шарнирная рука робота «Хивип» с параллель­ными захватывающими губками управляется одновременно семью независимыми сервосистемами, в каждой из которых используются сельсин, разлагающий сигнал на составляющие для определения положения, и серводвигатель постоянного тока с тиристорным управлением.

Выданный роботу чертеж трех проекций сканируется телеви­зионной камерой и используется для получения в ЭВМ списка точек, линий и контуров. Исходя из этого перечня определяется трехмерная конфигурация объекта сборки, причем обычные про­блемы, связанные с невидимыми линиями, исключаются в ЭВМ программным путем. Затем структура объекта сборки вычисля­ется программой и разбивается на подмножества составляющих ее частей, необходимых для сборки.

Отдельные детали, находящиеся на столе, обнаруживаются при сканировании телевизионной камерой, и эта информация, закодированная пятью битами, поступает в ЭВМ. Цвет объектов в описываемой работе не рассматривался. ЭВМ определяет и запо­минает положение каждого из объектов на столе и выбирает де­тали, необходимые для требуемого процесса сборки. Последова - 134 тельносіь сборки вычисляется как процесс, обратный такому про­цессу разборки, который потребует минимального количества сборочных движений. Затем выбираются две параллельные по­верхности на объекте, удобные для захвата пальцами робота. В ЭВМ вычисляются необходимые для сборки траектории и дви­жения кисти, а также углы в каждом из сочленений, после чего семь движений одновременно и независимо управляются ЭВМ и таким образом реализуется движение по непрерывной траек­тории.

Программное обеспечение для этого робота составляет более 400 ООО слов; программа хранится на магнитном барабане ем­костью 512 000 слов. Для программирования использовался язык Фортран. На обработку изображения затрачивалось до 240 с: 20 с шло на чтение чертежа, 50 с — на распознавание каж­дого объекта, 10 с — на принятие решение и в среднем 180 с — на движения руки при сборке. Полагают, что для подобных целей необходимы новые более быстродействующие процессоры, в ко­торых будет применяться распараллеливание операций.

Стэнфордский проект [53, 112—115, 126]. В проекте по искус­ственному интеллекту Стэнфордского университета механическая рука использовалась для складывания кубиков, местонахождение которых определялось программой прослеживания контура. В пер­вых экспериментах [51, 52, 54] программа обнаруживала и выде­ляла только контуры хорошо освещенных белых кубиков, лежа­щих на черном столе; однако исследование последнего времени было посвящено обнаружению контура в условиях, к которым предъявлялись менее жесткие требования.

Сканирующая телевизионная трубка видикон дает множество из 333x256 отсчетов яркости изображения 60 раз в секунду. Яркость каждого отсчета кодируется четырьмя битами информа­ции (16 уровней яркости). Для получения оптимальных результа­тов эффективная ширина этого окна в 16 уровней квантования яр­кости регулируется за 1 мкс путем варьирования динамического диапазона и разрешающей способности. Для получения макси­мальной разрешающей способности 16 уровней квантования укла­дываются в пределах 1/8 В при полном рабочем диапазоне видео­усилителя 1 В, в то время как для получения максимального ди­намического диапазона 16 уровней развернуты на весь диапазон в 1 В.

Получаемая таким образом эффективная разрешающая спо­собность возрастает и становится эквивалентной 128 уровням (семь бит). Информация вводится в машину через высокоскорост­ной цифровой канал с пропускной способностью 24 млн. бит/с.

ЭВМ PDP6 управляет наклоном и поворотом передающей теле­визионной камеры, фокусным расстоянием линз объективов, по­воротом объективов турели, цветными светофильтрами, фокусиров­кой и потенциалом мишени видикона. Ирисовая диафрагма в на­стоящее время устанавливается вручную. На диске, помещенном

между турелью и видиконом, установлены три цветных фильтра и один нейтральный, выбираемые за 0,2 с.

Программа ЭВМ выбирает одно из 64 значений потенциала ми­шени в диапазоне от 0 до 50 В, правда, для стабилизации изобра­жения после изменения потенциала мишени требуется около 10 телевизионных кадров. Не допускается превышение этим потен­циалом величины, создающей максимально допустимую величину среднего тока сигнала.

В первых экспериментах в Стэнфорде нужно было настраивать камеру вручную, чтобы выделить те детали сцены, которые необ­ходимы для выполнения конкретного задания, и, кроме того, про­грамма прослеживания контура могла оперировать только про­стыми замкнутыми контурами. Для обнаружения контуров исполь­зовался простой градиентный оператор размером З X 3. В даль­нейшей работе использовался локальный оператор, описанный Хукелем [55], который охватывает от 32 до 177 точек растра. Этот оператор может обнаруживать малоконтрастные изображения в значительной области, несмотря на наличие шумов. Нет необ­ходимости, чтобы все контуры прослеживались за один раз, по­скольку программа предусматривает соединение конечных точек линий всякий раз, когда достигается ранее встречавшаяся точка. Постепенно, при помощи различных надежных процедур, соста­вляющих программу, в памяти ЭВМ выстраивается законченная картина контуров сканируемых объектов.

Эта процедура в том виде, в каком она описана Пинглом и Те - ненбаумом [56], действительно имеет преимущество перед некото­рыми ранее применявшимися методами, состоящее в том, что благодаря обратной связи процесс сканирования изображения адаптируется к недостаткам рассматриваемой сцены, в результате чего возможно получение оптимальных результатов. Фальк опи­сал методы получения информации от неполных контурных рисун­ков объектов [57, 125].

Опубликован ряд статей, описывающих программы, языки программирования и системы разделения времени, используемые в Стэнфорде [51—54, 58].

В некоторых экспериментах в Стэнфорде использовалась меха­ническая рука, которая представляет собой протез, изготовленный в госпитале «Ранчо Лос Амигос» под Лос-Анджелесом [59, 64]. В каждом из шести суставов этой руки установлен потенциометр для создания позиционной обратной связи; скорость движения руки управлялась изменением ширины управляющих импульсов. Кисть руки выполнена в виде захвата с двумя параллельно рас­положенными пальцами. Для целей управления ЦВМ PDP6 и PDP10 были объединены в комплекс, имеющий магнитную па­мять в 128 ООО бит и систему разделения времени для PDP10. Для программирования использовался алголоподобный язык SAIL. Демонстрация этой системы показала, что она может сло­жить четыре кубика с разноцветно окрашенными гранями в башню, 136 причем каждая сторона башни будет окрашена в четыре разных цвета.

Стэнфордский робот программировался таким образом, что мог установить наклонную плоскость, по которой затем вкаты­вался на платформу, чтобы забрать коробку, лежащую на этой приподнятой платформе [75]. Роботу требовалось около 30 мин на выполнение задания, из них 20 мин затрачивалось на вычисле­ния в ЭВМ SDS940 с разделением времени и 10 мин на выполнение необходимых физических движений. Следует отметить, что по­требовалось около года кропотливой подготовительной работы. прежде чем ЭВМ смогла выполнить такое задание.

Последние достижения в Стэнфорде производят глубокое впе­чатление, но нужно помнить, что они потребовали огромной ем­кости машинной памяти. Тем не менее исследования подобного рода дают направление будущим работам не только по линии упро­щения процедур и программ и усовершенствования методов зри­тельного обнаружения объектов, но также и по созданию мето­дов использования параллельной обработки информации для ее ускорения и одновременного выполнения нескольких операций.