Устройство для управления роботом

(5 25.19 0 САНИЕ ЕТЕ Н д ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯРОБОТОМ, содеркащее рабочую головкус приводом ее перемещения, излучатель светового потока, приемник светового потока и усилитель, выход.которого присоединен к приводу, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения трчности и быстродействия, оно содерзит потенциометрический датчик для определения полозения рабочей (сварочной) 1 оловки,омпаратор и схему обработки видеосигналов, включающую блок двоичного:.преобразования, горизонтальный счеФный блок, вертикальный счетный блок,синхронизатор, блок раздельной снн-.хройнзацйи, выходы которого соединеныс входами блока двоичного преобразования, горизонтального счетногоблока и синхронизатора, блок генерирования импульсов синхронизации,соединенный с входом горизонтальногосчетного блока, дварегистра, входыкоторых присоединены к выходам блбка .двоичного преобразования, горизонтального счетного блока и синхронизатора, а также блок памяти и сумматор, входы которого присоединены квыходам регистров, а выход присоединен к входу блока памяти, причемк другому входу блока памяти присоединены выходы синхронизатора и вертикального счетного блока, при этомизлучатель светового потока выполненв виде щелевогоисточника света,приемник светового потока - в видетелевизионной камеры, выход которой .присоединен к одному из входов компа-.ратора, к другому входу которого при.соединен потенциометрический датчик,п 1 и этом выход комыратора присоединен к вхо у усилителя.3 Ь,гФ Составитель Ф.МайоровТехред И.Ходаиич Корректор Е.Сирохма Заказ 5249 Тирах 1031 ПодписноИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб , д,Проектная, 4 роизводственно"по ическое предприяти жгор Редактор Л.ВеселовскаяР16155, ИзоГретенпе относится к областиробототехники и может быть использовано в технологпчегких операциях,требующих расположения рабочего органа с учетом конфигурации обрабатываемого участка.Целью изобретения является повышение точности и быстродействия перемещения рабочего органа,На фиг.изображен робот, общийвид на фиг. 2 - рабочая головкаробота; на Фиг. 3 - узел 1 на фиг. 2,на фиг, 4 - схема устройства дляисследования стыка, на фиг. 5 - изображение, воспринимаемое телевизионной камерой, на фиг. 6- 10 - видыразличных участков уплотнения и изображения, воспринимаемые телевизионной камерой с этих участков, нафиг, 11 - оптический разрез (конецсопла удален от линии уплотнения);на фиг, 12 - блок-схема управленияроботом, на фиг. 13 - схема обработки видеосигнала, на фиг. 14 - график,иллюстрирующий временную зависимостьразличных сигналов н схеме на фиг.12,Робот, для управления которымиспользуется изобретение, включаетплатформу 1, установленную на основании 2, звено 3, связанное с платФормой через кинематическую цепь,образованную диском 4, установленным на платформе с воэможностью поворота в направлении Д, первой секцией 5 с приводом ее поворота относительно диска 4 н направлении 6,нторой секцией 6 с приводом ее поворота относительно первой секции внаправлении В. На конце звена 3 расположено запястье 7 типа "слоновыйхобот", один конец которого закреплен на звене 3, а другой имеет возможность поворота относительно зве-на 3 н трех направлениях: Г, Д и Е(фиг, 1), Положение звена 3, т.е.положение диска 4 относительно платформы 1, положение первой секции 5относительно диска 4, положениевторой секции 6 относительно первойсекции 5 и положение конца запястья7 относительно второй секции 6 устананлинаются последовательно на основании серии обучающих данных,предварительно введенных в устройстно 8 управления роботом. На свободном конце запястья 7 установленарабочая голонка робота, включающаякронштейн 9, закрепленный на запястье 7, и кронштейн 1 О, прикрепленный к кронштейну 9 при помощисоединительного элемента 11 с возможностью поворота вокруг оси 12 для5 коррекции и направлении Ж. Соединительный элемент 1 имеет возможностьповорота относительно кронштейна 9вокруг оси 12. К кронштейну 10 прикреплены щелевой источник 13 света10или проектор изоб 5 ажения щели дляпроецирования иэображений щели 14на поверхность 15 обрабатываемой детали 16, имеющей неравномерный соединительный участок 17, телевизионная камера 18 в качестве воспринимающего изображение средства, в которойиспользованы полупроводниковые воспринимающие иэображение элементыили им подобные для восприятия иэображений щели 14 на поверхности 15,и основание 19 обрабатынающего инструмента 20 робота. Вал 21, используемый для поворога кронштейна 1025к кронштейну 9, прикреплен своимцентром к камере 18 и опирается концами на боковые выступы 22 и 23кронштейна 9 соответственно, Крометого, один конец вала 21 соединенс секторной шестерней 24, котораяэацеплена с шестерней 25. Шестерня25 выполнена. эа одно целое с приводным валом эамедлителя 26 скорости,соединенного с мотором 27, имеющимхорошую чувствительность (например,35 мотором беэ сердечника) и прикреп",ленным к кронштейну 9 наружным корпу-,сом, Щелевой источник 13 света, камера 18 и обрабатывающий инструмент20 размещены с возможностью поворо 4 О та эа одно целое вокруг оси 12 взависимости от вращения мотора 27;Потенциометр 28, установленный между основанием 29 кронштейна 9 исвободным концом 30 кронштейна 1045 н качестве средства для детектирования положения обрабатывающегоузла относительно энена 3, детекти-рует расстояние 3 между центром ос"нования 29 кронштейна 9 и свобод 50 ным концом 30 кронштейна 1 О, соответствующее углу вращения мотора 27,т.е. угол вращения кронштейна ккронштейну 9 вокруг оси 12,фотовоспринимающая оптическаяу ось 31 камеры 18, т.е. ее центральная ось, устанонлена по одной линиис центральной осью конца запястья 7и расположена перпендикулярно к26155 ння в яркости по всей исследуемой поверхности 15, могут бьгть исключены посредством сравнения амплитуды видеосигналов Н и пороговой величины Н,.На входе или на видеовыходе блока 4 1 разделительной синхронизации может быть установлен попосовой фильтр для исключения флуктуаций в амплитуде видеосигналов Н с временным интервалом, соответствуюцим ширине меньше ширины щели.Горизонтальный счетный блок 43 в качестве первой счетной схемы включает восьмибитовый двоичный счетчик, например, в случае разделения горизонтального направления (направление У в видеоизображении 65) на 256 отрезков максимум. Содержимое С в счетном блоке 43 устанавливается на ноль при каждом получении импульсов горизонтальной а или вертикальной о синхронизации от блока 4 1 разделительной синхронизации. Горизонтальный счетный блок 43 получает синхронизирующие сигналы Т блока 46 генерчрования импульсов синхронизации и считает количество синхронизирующих импульсов. Более точно, сосчитанные величины С в горизонтальном счетном блоке 43 соответствуют горизонтальному положению У на электрических или видеоизображениях 65. Частота колебаний в блоке 46 генерирования изменяется в соответствии с числом деления в горизонтальном направлении (разрешающая способность). Например, видеоизображения 65 горизонтально разделены примерно на 200 ч для частоты колебания примерно 4 ИГц и примерно на 245- 250 ч. для частоты колебания 5 МГц.1 Вертикальный счетный блок 44 в качестве второй счетной схемы включает девятибитовый двоичный счетчик, который считает количество импульсов ц горизонтальной синхронизации, вырабатываемых блоком 41 разделительной синхронизации, и запоминает сосчитанные величины ф (количество бит определяется количеством импульсов горизонтальной синхронизации), и содержимое ф в счетном блоке 44 устанавливается на нуль импульсами 3 вертикальной синхронизации, т.е. сосчитанные величины ф в вертикальном счетном блоке 44 соответствуют вертикаль 1 му положению Х на видеоизображениях 65.Регистр 47, включающий триггер,получает и хранит содержимое С, в5 горизонтальном счетном блоке 43,когда первая передача, т,е. переднийфронт 66 импульса, который составляет выход Р, от блока 42 двоичного преобразования поступает нарегистр 47. Другой регистр 48 получает и хранит содержимое С в горизонтальном счетном блоке 43, когдапоследняя передача, т.е. заднийфронт 67 импульса в , поступает нарегистр 48. Девятибитовый двоичныйполный сумматор 49 суммирует содержимое С, в регистре 47 и содержимоеС в регистре 48 и запоминает сложен 2ные данные СБлок 50 памяти запоминает содержимое С для верхних 8-бит содержимого С в сумматоре 49 в виде адреса Ц, соответствующего содержимомув вертикальном счетном блоке 44. Со-,держимое С = С/2 = (С+С ) /2 соответствует центральному положениюимпульса 1 , т.е. приблизительноцентральному положению световогоинформационного ичпульса а видео сигналов Н. Адрес представляет собойположение Х иэображения щели 56видеоизображения 55 в вертикальномнаправлении, т.е. в направленииоси Х, и содержимое С в адресе Ц З 5 представляет горизонтальное положение У центральный светлых точекиэображения щели 63 в видеоизображении 65. Соответственно, в схемеобработки видеосигнала положение 40 иэображения щели в горизонтальномнаправлении У (центральное положение) задается 1 - байтовой емкостьюпамяти, и изобдажения, например, составленные из 256 256 точек могут 45 быть запомнены в 256 байтах (что меньше на 1/32 обычной емкости). Поскольку адрес памяти и данные запоминаются в виде адреса прямо давая конфигурацию изображений щели, т.е. кон фигурацию исследуемой поверхностивключая участок уплотнения, то времяпосле обработки, необходимое дляопределения отношения Х илн У иподачи сигналов о , указывающих от%5 клонение (фиг. 10), может быть уменьшено до существенно небольшого времени обработки изображения. Не всегданеобходимо поддерживать соотнопение126 1 ". 5 1 О 20 25 30 35 40 50 Ц = ф, поскольку соотнетстьче 1;1поддерживается между адресом Ц исодержимым ф в блоке 44 и, например,может быть осуществлена индекснаямодиФикация,Согласование во времени для записи данных ф в блок 50 памяти регулируется синхронизатором 45, которыйработает при возрастании переднихфронтов 68 импульсов о горизонтальной синхронизации, таким образом, что синхронизатор 45 подаетстробируюций сигнал записи Ю в блок50 памяти по прибытии переднегофронта 68 импуса а в синхронизатор 45, тем самим побуждая блок 50памяти запомнить данные С от сум 4матора 49 в виде адреса Ц и послеэтого устанавливает на нуль содержимое С, С в регистрах 47 и 48,Устройство для управления роботом имеет две петли 69 и 70 обратнойсвязи, причем большая петля 69 проводит с высокой точностью основноеразмещение верхнего конца 34 соплаФотносительно линии уплотнения 17и расположение может быть выполненоболее быстро и точно посредствомобъединенного использования меньшейпетли 70 с большей петлей 69, В петле 69 положение звена 3 или положение конца запястья 7 определяетсяна основании обучающих данных, поскольку в начале операции воспроизведения расстояние 3 равно расстояно 3, начальное положение наконечника сопла 33, основанное на положеии звена 3, определяется по обучающим данным.Положение конца 34 сопла 33 относительно уплотнительной линии 17воспринимается камерой 18, спаренной с щелевым оптическим источником13, Если обнаруживается наличие отклонения конца 34 от линии 35 уплотнения на основании воспринятых иэображений, направление и протяженностьотклонения определяются в схеме 40 ,обработки видеосигнала, и сигнал отклонения вырабатывает данные, выражающие необходимую коррекцию от схемыобработки. Эти данные посылаютсячерез усилитель 38 к мотору 27 Усилитель 38 вращает мотор 27 в заданном направлении на основании данныхдля смещения конца 34 сопла 33 обрабатывающего инструмента 20 к линииуплотнения 17Положение конца 34 отосито.1. уо 1 с 17ринимается камерой 18, Наличие илиотсутствие отклонения Х от опорногоположения егс направление и величинадетектрутся снова в схеме 40 обработки на основании воспринятых иэабражений, и операция обратной связи проводится в петле 69 до тех пор,пока конец 34 не совпадает с линиейуплотнения 1/,Если скорость операции по коррекции в петле 69 достаточно высока по сравнению со скоростью движения конца 34 сопла, то положение конца 34может быть скорректировано фактически во время операции уплотнениятолько петлей 69 так, что конец 34может всегда двигаться вдоль линии17 уплотнения. Такой способ коррекции обеспечивается тем, что степеньсвободы конца 34 сопла к концу запястья 7 уменьшается, а также тем,что положение звена 3 относительноплатформы 2 регулируется обучающимиданными, а положение ;онца 34 сопланезависимо от звена 3 так, чтобыкомпенсировать отклонение Х конца34 сопла относительно действительной линии 17 обработки, Однако,если время г., необходимое для распознавания рисунка видеоизображениядля изображений щели на основанииданных С , запоминаемых сериями адресов Ц в блоке 50 памяти, одновременно со сканированием электрическихизображений и детектированием отклонения Х, схемой 40 обработки видеосигнала с высокой скоростью обработки существенно мало по сравнению с временем взятия замера г. для изоборажений в схеме 40 обработки (например, 1/50 или 1/60 с в случае растрового сканирования без чередования), необходимо для более точной и быстрой операции уплотнения осуществлятьрегулирование коррекции для компен"сации отклонения Х, по меньшей ме-ре в каждый период времени (й -14).Такое регулирование коррекции достигается меньшей петлей 70 обратной связиКогда данные коррекции для изоб, ражений одного замера вырабатываются схемой 40 обработки видеосигнала,то они удерживаются в компараторе39. Мотор 27 вращается при помощиусилителя 38 на основании данных каррекции, удерживаемьх вкомпаратореУстройство для управления. роботом содержит щелевой источник 13 света, телевизионную камеру 18, усилитель 35 38, компаратор 39 и схему 40 обработ" ки видеосигнала, включающую (фиг. 13) блок 41 разделительной синхронизации, выходы которого подключены к входам блока 42 двоичного преобра эования, горизонтального счетного блока 43, вертикального счетного блока 44 и синхронизатору 45, блок 46 генерирования импульсов синхрони. - зации, подключенный к горизонтально му счетному входу 43, два регистра 47 и 48, входы которых соединены г выходами блока 42 двоичного преобразования, горизонтального счетного блока 43 и синхронизатора 45, а 50 также сумматор 49, входы которого соединены с выходами регистров 47 и 48, а выход - с входом блока 50 памяти, причем к другому входу блока 50 подключены выходы синхрониза тора 45 и вертикального счетного блока 44.Робот работает следующим образом. зоси 12. Оптическая ось 32 щелевого источника 13 света пересекается под углом с оптической осью 31 и, предпочтительнопересекается под углом с осью 12.Обрабатывающий инструмент 20 включает сопло 33, которое слегка касается своим концом 34 обрабатываемой поверхности 15 и подает материал уплотнения 35 от верхнего конца 34 к соединительному или уплотняющему участку 17 обрабатываемой детали 16, держатель 36 сопла, включающий упругий элемент для удерживания в направлении уплотнения И, фа также перпендикулярно направлению И с воэможностью смещения, и жесткое основание 19 дляфиксаций. держателя 36 сопла относительно кронштейна 10, Держатель 36 сопла может компенсировать некоторую вертикальную ошибку положения конца 34 при операции воспроизведения. Сопло 33 находится в той же плоскости, что и оси 31 и 32, и конец 34 сопла 33 приближается вплотную к точке пересечения осей 3 1 и 32.Щелевой источник 13 света включает источник 37 света и средства образования и проецирования щели на обрабатываемую поверхность 15,1 О525 ЗО Оптическая ось 32 щелевого источника 13 света наклонена к обрабатываемой поверхности 15, и иэображения щели 14 содержат две части 51, 52 изображения, образованные на исследуемой поверхности верхнего элемента 53 и нижнего элемента 54 у ступенчатого участка 17Оптическая ось 3 телевизионной камеры 18 вертикальна относительно исследуемой поверхности 15. Соответственно, изображение 55 (фиг. 5) получают на экране камеры 18 посредством выравнивания направления И прохождения ступенчатого участка 17 с горизонтальным направлением (ось У) иэображения 55 на экране камеры 18 и установки продольного направления к изображений щели 14 перпендикулярно к направлению И прохождения ступенчатого участка 17. Черная линия 56 иэображения щели состоит иэ световых точек, воспринятых от изображений щели 14, в которых черные линии 57 и 58 представляют собой видео- иэображения, состоящие иэ световых точек и соответствующие изображениям 5 и 52 щели. Ось Х представляет собой вертикальное направление видеоизображений 46, Смещение видеоизображе" вий 57 и 58 для частей 51 и 2 изображения в горизонтальном направлении показывает наличие ступенчатого участка 17 в исследуемой поверхности 15 и служит для получения положения и высоты этого участка (посредствомиспользования угла наклона оптической оси 32 к поверхности 15 и т.д.). Не .всегда необходимо, чтобы оптическая ось 31 была вертикальна к осматриваемой поверхности 15 и оптическая ось 32 была наклонена к осматриваемой поверхности 15 при условии, что оптические оси 31 и 32 наклонены друг к другу.Операция обучения включает подготовительные процедуры размещения, обрабатываемой детали 16 в предпочтительном положении, установку ре- версивного мотора 27 в начальное положение, установку начального расстояния 3 между кронштейнами 9 и 10, расположение осевой линии 12 параллельно линии уплотнения 17, выравниваниеконца 34 сопла 33 (наконечника) и оптических осей Э и 32 относительно уплотнительного участка 17 (размещение оптической оси Э 15 12615перпендикулярно рабочей поверхности 16). После этого конец 34 сопла33 смещается в направлении Й, поддерживая расстояния 3 и 3 и определенное положение оптических осей31 и 32 и сопла 33 относительно линии уплотнения 17. Положения звена 3последовательно запоминаются какданные обучения е в блоке памяти 5 О.При этом может бьггь использована 10облучающая система "точка к точке"или система непрерывного обучения,Участки уплотнения могут иметь различный вид: расположенное сверхууплотнение (фиг, 6), расположенное 15снизу уплотнение (фиг. 7), примыкающее уплотнение (фиг. 8)1 уплотнениес Ч-образной канавкой (фиг, 9) 1 расположенное вверху уплотнение с отверстиями (фиг. 10). 20Если источник света 13, камера18 и сопло 33 расположены относительно обрабатываемой поверхноститак же, как во время операции обучения, то изображения щели получают1ся на экране камеры 18. Стрелкой Лобозначено направление оптическихосей 3 1 и 32, позицией 59 - участокуплотнения и позицией 60 - изображения, воспринятые от участка уплот- З 0неиия (фиг. 6-10).При операции воспроизведения,если положение обрабатываемой детали 16, имеющей уплотнение 17 с перекрытием на участке, или положение 35конца запастья 7 робота смещены относителЬно положения, определенногопри обучении, концом 34 сопла 33 смещается относительно линий уплотнения 17 (фиг. 11). Отклонение конца 4034 сопла от линии уплотнения 17 выражено отклонением +Х видеоизображений 61 для линии уплотнения, которая показана у левого конца согнутого участка 62 видеоизображений 63, 45воспринятых от иэображений щели, отцентрального положений Х относиотельно вертикального направления(направление Х) в экране камеры (приблизительно соответствующего положению верхнего конца 34 сопла), истепень отклонения +Х, детектируетсяустройством обработки видеоизображения.Левое горизонтальное отклонение 55У тонкой центральной линии 64 насогнутом участке 62 иэображений 63камеры от центрального положения У экрана указывает, что верхний конец 34 сопла смещается н напранлении элемента 54 на обрабатываемой поверхности 15, а наклон видеоизображений 63 к экрану указывает, что осевая линия 12 наклонена к линии уплотнения 17.Отклонение верхнего конца 34 сопла в обрабатывающем инструменте 20 от линии уплотнения 17 детектируется источником 13 щелевого света и телевизионной камерой 18, прикрепленной к кронштейну 1 О, а также устройством обработки изображения, включая схему обработки видеосигнала, на блок 4 1 разделительной синхронизации которой от камеры 18 поступают сложные видеосигналы И. Блок 41 выдает на своем выходе сигналы в виде видеосигналов Н, сигналов О и горизонтальной синхронизации сигналов П вертикальной синхронизации, отделяя их друг от друга. Видеосигналы М являются электрическими сигналами, имекв 1 ими амплитуду, соответствующую светлому и темному рисунком на экра" не камеры, полученным сканированием электрических иэображений 63. Сигналы О горизонтальной синхронизации включают импульсы а горизонтальной синхронизациикоторые вьдаются при завершении хода горизонтального сканирования и перехода к последнему горизонтальному сканированию. Сигналы П,вертикальной синхронизации включают импульсы о вертикальной синхронизации, которые выдаются при завершении сканирования одного кадра. Блок 42 двоичного преобразования, который получаег видеосигналы Н, определяет, является ли амплитуда видеосигФналов Н больше, чем указанная поро овая величина Н и вьдает на выходе двоичные светлые и темные световыесигналы Р - на высоком уровне, еслиамплитуда выше пороговой величиныН 1, либо на низком, если амплитуданиже пороговой величины Н.Пороговая величина Н устанавливается посредством определения среднего уровня видеосигналов Н в случае,когда не вырабатываются низкие импульсы горизонтальной и вертикальной синхронизации а, 0 и добавления определенной амплитуды (напряжения) к среднему уровню, Влияния,возникающие ввиду флуктуаций в уровне заднего плана вследствие измене 126155539, и конец 34 обрабатывающего инструмента 20 движется к линии уплотнения 17. Смещение конца сопла 33 относительно конца запястья 7 детектируется как изменение расстояния 3 между кронштейнами 9 и 10 потенциометром 28, используемым в качестве средства детектирования относительного положения, и компаратор 39 сравнивает, соответствует ли изменение в расстоянии 3 данным.Компаратор 39 удерживает присутствующую величину 3 детектирования потенциометра 28, например, при каждом входе новых данных коррекции как сигнал отклонения от схемы 40 и подготавливает разность для данных расстояния между кронштейнами 9 и 10, вырабатываемых вновь от потенциометра 28 в соответствии со смещением конца 34 сопла к линии уплотнения 17 (3, 3, во время вырабатывания данных коррекции схемой 40 обработки), определяет, соответстнует ли разность данным коррекции.Операция обработки в петле 70продолжается до тех пор, пока разность не будет соответствовать кор рекции. Ответ в петле 70 может бытьвыполнен значительно быстрее посравнению со скоростью обработки всхеме 40 обработки видеосигнала искоростью операции уплотнения, конец 34 сопла может быть смещен быстро к положению, укаэанному схемой40 обработки. Когда вырабатываютсяданные коррекции на основании следующего замера для изображений от 15 схемы 40 обработки, петля 70 реагирует с высокой скоростью для смещения конца 34 на основании данныхкоррекции. Предшествующая обработкаповторяется, и.в результате конец 20 34 сопла при операции воспроизведения, может двигаться вдоль линииуплотнения с высокой точностью тем . самым обеспечивая точную операцию уплотнения.