Информационные устройства робототехнических систем

Ìîñêâà

Èçäàòåëüñòâî ÌÃÒÓ èìåíè Í.Ý. Áàóìàíà

2005

Ðåêîìåíäîâàíî Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèì îáúåäèíåíèåì âóçîâ

ïî óíèâåðñèòåòñêîìó ïîëèòåõíè÷åñêîìó îáðàçîâàíèþ

â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ äëÿ ñòóäåíòîâ

âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé,

îáó÷àþùèõñÿ ïî íàïðàâëåíèþ

«Ìåõàíîòðîíèêà è ðîáîòîòåõíèêà»

Èíôîðìàöèîííûå

óñòðîéñòâà

ðîáîòîòåõíè÷åñêèõ

ñèñòåì

Ñ.À. Âîðîòíèêîâ

УДК 681.5(075.8)
ББК  32.816
  В75

            Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Ю.В. Подураев (кафедра «Робототехника и мехатроника» МГТУ «Станкин»); д-р техн. наук, проф.
В.Г. Запускалов

 
 Воротников С.А.
В75        Информационные устройства робототехнических систем: Учеб. пособие. —
М.:  Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. — 384 с.; ил. (Робототехника / Под
ред. С.Л. Зенкевича, А.С. Ющенко).

ISBN 5-7038-2207-6

Изложены принципы действия, характеристики и примеры построения информационных устройств робототехнических систем. Даны основы расчета кинестетических,
локационных, визуальных и тактильных датчиков; показаны способы их сопряжения с
системами управления роботов. Приведены алгоритмы обработки сенсорной информации. Рассмотрены варианты реализации различных сенсорных функций в бионических системах.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который автор читает
в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Роботы и робототехнические системы», а также по специальностям, связанным с разработкой информационного обеспечения технических систем. Представляет интерес для
аспирантов и специалистов, занимающихся созданием и применением средств робототехники.

      УДК 681.5(075.8)
                           ББК 32.816

       © С.А. Воротников, 2005
       © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005
ISBN 5-7038-2207-6                       © Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие..................................................................................................    9

Введение.........................................................................................................  11

В1. Робототехника, мехатроника и информационные системы ..........  11
В2. Основные понятия и определения ...................................................  14
В3. Бионические аспекты информационных систем ............................  19

B3.1. Общие сведения ...........................................................................  19
В3.2.  Кинестетическая рецепция.........................................................  22
В3.3.  Слуховая рецепция .....................................................................  24
В3.4.  Зрительная рецепция ..................................................................  26
В3.5.  Особенности тактильной рецепции ..........................................  28
В4. Понятие об информационном подходе............................................  29
Контрольные вопросы ............................................................................  32

1. Общие  сведения  о  датчиках  информационно-измерительных
    систем .........................................................................................................  33
1.1. Датчики и их характеристики ...........................................................  33
1.2. Процесс измерений. Информационная модель ...............................  41
1.3. Способы компенсации и учета погрешности...................................  46
Контрольные вопросы...............................................................................  50

2. Элементы  информационных  систем ..................................................  51

2.1. Чувствительные элементы датчиков ................................................  51

2.1.1. Резистивные чувствительные элементы................................  51
2.1.2. Электромагнитные чувствительные элементы.....................  56
2.1.3. Преобразователи Холла ..........................................................  59
2.1.4. Оптические чувствительные элементы .................................  62
2.1.5. Пьезоэлектрические чувствительные элементы...................  66

2.2. Измерительные схемы датчиков......................................................  71

2.2.1. Общие сведения.......................................................................  71
2.2.2. Параметрические схемы датчиков.........................................  72
2.2.3. Генераторные измерительные схемы ....................................  79
2.3. Измерительные усилители ...............................................................  81
Контрольные вопросы .............................................................................  88

Оглавление

6

3. Кинестетические  датчики ...................................................................    89
3.1. Датчики положения и перемещения...............................................    89
3.2. Резистивные датчики положения....................................................    90
3.3. Электромагнитные датчики положения.........................................    97
3.3.1. Общие сведения.....................................................................    97
3.3.2. Резольверы .............................................................................  100
3.3.3. Растровые электромагнитные датчики положения............  112
3.3.4. Редуктосины...........................................................................  115
3.3.5. Индуктосины .........................................................................  117
3.4. Фотоэлектрические датчики положения.......................................  120

3.4.1. Общие сведения.....................................................................  120
3.4.2. Растровые оптические датчики положения ........................  121
3.4.3. Импульсные оптические датчики положения ...................  126
3.4.4. Кодовые оптические датчики положения...........................  129
3.4.5. Прецизионные оптические датчики положения.................  132
Контрольные вопросы ...........................................................................  136

4. Измерение  скорости  и  динамических  факторов ..........................  137

4.1. Датчики  скорости...........................................................................  137
4.1.1. Тахогенераторы переменного тока......................................  138
4.1.2. Тахогенераторы постоянного тока ......................................  142
4.2. Датчики динамических величин....................................................  145
4.2.1. Пьезоэлектрические датчики ...............................................  146
4.2.2. Магнитоупругие датчики......................................................  153
4.2.3. Электростатические датчики................................................  157
4.2.4. Электромагнитные датчики..................................................  162
Контрольные вопросы ...........................................................................  165
5. Локационные  информационные  системы.......................................  167
5.1. Теоретические основы локации ......................................................  167
5.1.1. Общие сведения .....................................................................  167
5.1.2. Направленность излучения...................................................  170
5.1.3. Модуляция и детектирование сигналов...............................  173
5.2. Электромагнитные локационные системы ...................................  183
5.2.1. Магнитные локационные системы ......................................  183
5.2.2. Вихретоковые локационные системы .................................  186
5.2.3. Электромагнитные локационные системы
          специального назначения .....................................................  191
5.3. Акустические локационные системы............................................  195
5.3.1. Общие сведения.....................................................................  195
5.3.2. Звук и его основные характеристики ..................................  196
5.3.3. Акустические свойства среды..............................................  200

Оглавление

7

5.3.4. Направленность и модуляция в акустической локации.....  203
5.3.5. Датчики и системы акустической локации.........................  205
5.3.6. Акустические локационные системы специального
          назначения..............................................................................  216
5.3.7. Основы цифровой записи звука...........................................  218
5.4. Оптические локационные системы ...............................................  220
5.4.1. Теоретические основы оптики .............................................  220
5.4.2. Оптическая система и ее характеристики...........................  224
5.4.3. Элементы и схемы оптических локационных систем........  229
5.4.4. Лазерные оптические локационные системы.....................  236
Контрольные вопросы ...........................................................................  241
6. Системы  технического  зрения...........................................................  243
6.1. Общие сведения...............................................................................  243
6.2. Основы формирования и передачи изображения.........................  250
6.2.1. Понятие о видеосигнале .......................................................  251
6.2.2. Способы кодирования цвета.................................................  254
6.3. Датчики изображения .....................................................................  263
6.3.1. Общие сведения.....................................................................  263
6.3.2. Видиконы ...............................................................................  268
6.3.3. Телекамеры на приборах с зарядовой связью.....................  270
6.3.4. Телекамеры с фотодиодной матрицей.................................  274
6.4. Устройства ввода и хранения изображения..................................  276
6.4.1. Общие сведения.....................................................................  276
6.4.2. Способы хранения изображения..........................................  280
6.4.3. Кодирование видеосигнала ..................................................  283
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ........................................  285
6.5.1. Общие сведения.....................................................................  285
6.5.2. Структура графического файла............................................  288
6.5.3. Сжатие изображения.............................................................  290
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения................................  300
6.6.1. Общие сведения.....................................................................  300
6.6.2. Предварительная обработка изображения..........................  303
6.6.3. Сегментация...........................................................................  313
6.6.4. Кодирование изображения ...................................................  315
6.6.5. Описание изображения.........................................................  316
6.7. Распознавание изображения...........................................................  319
6.7.1. Основные методы..................................................................  319
6.7.2. Особенности получения трехмерного изображения..........  323
Контрольные вопросы ...........................................................................  326

7. Системы  тактильного  типа................................................................  327
7.1. Общие сведения................................................................................  327
7.2. Контакт и его особенности..............................................................  328
7.3. Принципы силомоментного очувствления роботов......................  330

Оглавление

8

7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов............  336
7.4.1. Конструктивные схемы датчиков ........................................  336
7.4.2. Упругие элементы и измерительные цепи
          силомоментных датчиков.....................................................  347
7.4.3. Датчики с совмещенными чувствительными
          элементами.............................................................................  351
7.5. Методы распознавания контактных ситуаций .............................  355
7.6. Организация управления роботом  с силомоментным
       очувствлением .................................................................................  361
7.7. Тактильные датчики........................................................................  363
7.7.1.  Общие сведения....................................................................  363
7.7.2. Тактильные датчики касания и контактного давления......  365
7.7.3. Тактильные датчики проскальзывания ...............................  368
Контрольные вопросы ...........................................................................  370
Заключение..................................................................................................  371
Приложение.................................................................................................  372
Список литературы ...................................................................................  378
Предметный указатель..............................................................................  380

ПРЕДИСЛОВИЕ

Подготовка студентов в рамках специальности «Роботы и робототехнические системы» проводится в МГТУ им. Н.Э. Баумана уже более 10 лет. Один
из важных разделов робототехники — информационное обеспечение робототехнических систем — является, пожалуй, наиболее бурно развивающимся.
Появившиеся в последние годы новые принципы получения и хранения
информации, эффективные алгоритмы обработки данных в первую очередь
внедряют в высокотехнологичных областях техники, к которым относится
робототехника. В то же время существующая литература по этой тематике
весьма ограничена и быстро устаревает. Кроме того, приводимые в ней сведения зачастую имеют рекламный характер и не позволяют судить о действительных характеристиках датчиков и информационных систем. Настоящее
учебное пособие предназначено устранить указанные недостатки.
Рассмотреть в рамках одной книги все используемые в робототехнике
информационные устройства невозможно. В данном издании предложен
бионический подход, в соответствии с которым рассмотрены лишь те информационные устройства, которые реализуют некоторую сенсорную
функцию человека. Наиболее распространенных сенсорных функций четыре
(кинестетическая, тактильная, слуховая и визуальная). Технической реализации каждой из этих функций в книге посвящена отдельная глава.
Несколько слов о структуре книги. Условно она состоит из трех частей.
В первую входят введение и первая глава, где приводятся основные принципы построения сенсорных систем человека и рассматриваются общие вопросы построения информационных систем роботов. Приведенные в первой
части пособия аналитические зависимости позволяют рассчитать важнейшие параметры датчика: чувствительность, частотную характеристику, быстродействие и т. п., а также определить его функцию преобразования и
погрешности.
Вторая часть (гл. 2— 4) посвящена вопросам проектирования информационных устройств, их чувствительных элементов, измерительных схем и
усилителей, образующих аналоговый канал преобразования информации.
Приведены примеры построения кинестетических датчиков, составляющих
основу информационного обеспечения современных роботов и включающих датчики положения, скорости и динамических факторов.
В третьей части книги (гл. 5—7) рассмотрены информационные системы
адаптивных роботов: локационная, визуальная и тактильная. При построении этих систем использованы приведенные ранее методы проектирования.
Кроме того, поскольку информационная система представляет собой совокупность аппаратно-программных средств, значительное внимание уделено
рассмотрению базовых алгоритмов обработки информации.

Предисловие

10

Автор предполагает, что читатель владеет материалом курсов физики,
высшей математики, электроники, основ робототехники и управления техническими системами в объеме программ высших учебных заведений.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры «Робототехнические системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана и ее заведующему,
д-ру техн. наук, проф. А.С. Ющенко за помощь в работе над книгой; рецензентам — заведующему кафедрой «Робототехника и мехатроника» МГТУ
«Станкин», д-ру техн. наук, проф. Ю.В. Подураеву и главному научному
сотруднику МНПО «Спектр», д-ру техн. наук, проф. В.Г. Запускалову за
ценные замечания, а также редактору издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана
Е.Н. Ставицкой.

ВВЕДЕНИЕ

В1. Робототехника, мехатроника и информационные
системы

Робототехника сформировалась в 60-х годах ХХ в. как наука о технических
устройствах, способных работать самостоятельно, принимать решения и заменять человека при выполнении сложных операций. Первый этап развития робототехники был связан с созданием промышленных роботов, которые получили широкое применение в машиностроении при обслуживании металлорежущих станков, прессов, металлургических агрегатов, т. е. для замены человека при выполнении однообразной, утомительной и зачастую небезопасной для
здоровья работы. Роботы первого поколения представляли собой манипуляторы — механические руки, имеющие до шести степеней подвижности и управляемые по заранее составленной программе. Несмотря на то что в промышленности область применения подобных устройств обширна, довольно быстро
выяснились ограничения по их использованию. Например, при сборке узла с
помощью робота последний должен взять необходимые детали с монтажного стола или конвейера. Поскольку робот управляется по жесткой
программе, местоположение каждой детали и ее ориентация должны быть
достаточно точно определены. Поэтому приходилось создавать дорогостоящую оснастку — специальные приспособления для размещения и ориентирования детали с точностью функционирования робота.
Эта особенность существенно отличает работу роботов первого поколения
от работы человека, которого он должен заменить. Человек благодаря зрению,
слуху и осязанию легко выполняет аналогичные действия даже в том случае,
если деталь или заготовка произвольно ориентирована, несколько смещена
или повернута. Для жестко запрограммированного робота это невозможно,
потому что он слеп и бесчувственен по сравнению с человеком.
Именно отсутствие органов чувств у промышленных роботов первого
поколения привело к кризису в мировой робототехнике к концу 80-х годов
XX в. Имеющиеся образцы промышленных роботов быстро закрыли ту нишу, в которой их применение было экономически оправданным. В то же
время надежных и недорогих роботов, способных видеть, чувствовать и
приспосабливаться (адаптироваться) к изменяющейся обстановке, еще не
было. Производство промышленных роботов повсеместно стало сокращаться. Только к середине 90-х годов ХХ в. положение начало понемногу исправляться благодаря тому, что на рынке передовых промышленно развитых стран — Японии, США, Германии — появились оснащенные сенсорными устройствами промышленные роботы, способные к адаптации.

Введение

12

 На рубеже XX––XXI веков робототехника стала широко внедряться в
непромышленные сферы человеческой деятельности. Это — спасательные
работы на месте техногенных аварий и катастроф, разведка полезных ископаемых на морском дне, работы в космическом пространстве, борьба с терроризмом, обезвреживание взрывоопасных предметов и т. п. Роботы начали
успешно применяться в медицине для решения задач диагностики и дистанционной хирургии. Подобные роботы не могут выполнять своих функций
без технического зрения, тактильного ощущения, оценки развиваемых сил и
моментов. Поэтому их появление и активное применение было связано с
разработкой надежных сенсорных систем.
Наряду с робототехникой сейчас часто употребляют термин «мехатроника». Появился он примерно в 80-х годах ХХ в. в известном смысле как
развитие понятия «электромеханика». Различие этих, на первый взгляд
тождественных, понятий заключается в разном уровне используемых электронных решений. Мехатроника предполагает непосредственное внедрение
микроэлектронных систем в систему управления, в некотором роде синтез
электроники и механики, позволяющий создавать эффективные регуляторы.
В дальнейшем термин «мехатроника» был существенно обобщен, в результате чего к мехатронным системам стали относить практически любые
сложные технические системы, содержащие механическую и электронную
части и управляемые компьютером. В результате роботы также оказались
мехатронными системами. Однако термин «мехатроника», конечно, шире. К
этой области относятся также системы, которые не являются робототехническими, например: системы управления комплексами технологического
оборудования, обрабатывающие центры, системы поддержания заданной
температуры в помещении. Функционирование таких систем связано с выполнением разнообразных измерений, для чего их также оснащают соответствующими сенсорными устройствами.
Можно констатировать, что создание информационно-сенсорных систем
является самостоятельным, имеющим очень широкое применение и в робототехнике, и в мехатронике направлением. Однако его возникновение не
связано непосредственно с этими науками. Любой процесс управления
предполагает наличие обратной связи, а ее реализация требует датчиков обратной связи, измеряющих регулируемые параметры (координаты, скорость,
температуру и т. п.). В настоящее время наука о технических измерениях
вступила в новую фазу, связанную с применением сенсорных устройств в
мехатронике и робототехнике. Эта новая фаза состоит в переходе от отдельных датчиков к сложным измерительным системам, которые в большинстве
случаев предполагают довольно сложные способы обработки информации,
поступающей от этих датчиков. Примером может служить система технического зрения робота. Функциональная особенность такой системы состоит в
том, что она позволяет получать комплексную характеристику окружающей
обстановки. Таким образом, в робототехнических и мехатронных системах
наряду с датчиками состояния системы, характерными для любых систем
управления, появляются датчики состояния внешнего мира.