Устройство корреляционного зрения робота

 

Использование: для определения координат в системах технического зрения промышленных роботов. Сущность изобретения: устройство содержит робот 1. рабочую плоскость 2. телекамеру 3, блок 4 оконтурированмя изображений, электроннолучевую трубку 5. топографический пространственный фильтр 6, устройство вращения 7, видеодатчик 8, две Фурье-преобразующие линзы 9, 10. блок-анализатор видеосигнала 11, блок сопряжения 21. вычислительный блок 22, блок усилителей 23. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1 7701 20A1 (я)5 В 25 J 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4790320/08 (22) 12,02.90 (46) 23.10.92. Бюл.39 (71) Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения МГТУ им, Н.Э. Баумана (72) Л.В.Волков, Е.B,BîëêîB, А.К.Ковальчук и В.И.Лобачев (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 837854, кл. В 25 J 13/00. (54) УСТРОЙСТВО КОРРЕЛЯЦИОННОГО

ЗРЕНИЯ РОБОТА (57) Использование: для определения координат в системах технического зрения промышленных роботов. Сущность изобретения: устройство содержит робот 1, рабочую плоскость 2. телекамеру 3, блок 4 оконтурирования изображений, роннолучевую трубку 5, голографический пространственный фильтр 6, устройство вращения 7, видеодатчик 8, две Фурье-преобразующие линзы 9, 10, блок-анализатор видеосигнала 11, блок сопряжения 21, вычислительный блох 22, блок усилителей 23.

2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1770120

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для определения координат е системах технического зрения промышленных роботов.

Известно устройство корреляционного зрения робота, содержащее телекамеру, оптический коррелятор с эталонной маской, логическую схему и преобразователь сигналов. Данное устройство;является пространственноо-неинеариан гной оптической системой, что снижает его функциональные

ВОЗМОЖНОСТИ.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является устройство корреляционного зрения робота, которое содержит телевизионную камеру, оптический коррелятор с эталонной маской, на которой выполнено и изображений детали, а корреляционная плоскость оптического коррелятора имеет и областей, в каждой из которых установлены фотодиоды, выходы которых электрически связаны с логической схемой.

Известное устройство основано на принципах геометрической оптики. Поэтому наличие характерных аберрационных искажений определяет возможность работы таких устройств с обьектами, имеющими . простые геометрические формы. Использование для считывания полезного сигнала фотоэлектрических преобразователей мгновенного действия в сочетании с устрой ством ввода, катодолюминофор которого имеет конечное время после свечения искажает результаты корреляционного анализа изображений, что снижает его функцио. нальные возможности, Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей за счет расширения класса распознаваемых объектов и увеличения точности определения их координат путем использования дифракционного коррелятора, ввод распознаваемых изображений в который осуществляется электронно-лучевой трубкой с катодолюминисцентным квазимонохроматическим экраном, а для считывания автокорреляционного сигнала используется фотоэлектрические преобразователи с полным накоплением заряда.

На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 блок-схема блока анализатора-видеосигнала,, Предлагаемое устройство предназначено для управления роботом 1, который работает с обьектами, расположенными в рабочей плоскости 2 (например, конвейер), оно содержит телекамеру 3. блок оконтуривания иЭображения 4, оптический голографический коррелятор, во входной плоскости

55 которого установлена электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с катодолюминисцентным квазимонохроматическим экраном 5, в частной плоскости установлен с возможностью вращения вокруг оптической оси голографический пространственный фильтр 6, кинематически связанный с устройством вращения 7 (например, шаговый двигатель).

В выходной плоскости установлен видеодатчик 8, фотомишень которого является многоэлементным фотоэлектрическим преобразователем с полным накоплением заряда (например, телекамера с видиконом или с ПЭС матрицей). Передняя фокальная плоскость первой Фурье-преобразующей линзы 9 голографического коррелятора совпадает с плоскостью экрана ЭЛТ 5, а в ее задней фокальной плоскости (частотной плоскости голографического коррелятора) установлен голографический пространственный фильтр 6 (Фурье-голограмма распознаваемого иэображения), передняя и задняя фокальные плоскости Фурье-преобразующей линзы 10 совпадают, соответственно, с голографическим пространственным фильтром 6 и видеодатчиком 8, осуществляющим преобразование пространственного распределения излучения на выходе голографического коррелятора в электрический сигнал, Выход еидеодатчика 8 электрически связан со входом блока-анализатора видеосигнала 11, последний содержит двухпороговый компаратор 12, на вход которого подается видеосигнал с видеодатчика 8, амплитудный селектор 13, на вход которого подается видеосигнал с видеодатчика 8, а выход электрически связан с блоком выделения задних фронтов строчных 14 и кадровых 15 синхроимпульсое. Два двоичных счетчика 16 и 17.

Вход счетчика 16 электрически связан с блоком выделения задних фронтов строчных синхроимпульсов 14 и выходом генератора тактовых сигналов 18, а входы счетчика 17 электрически связаны с выходом амплитудного селектора 13 и выходом блока выделения задних фронтов кадровых синхроимпульсов 15. Двв буферных регистра 19 и 20. Цифровой вход буферного регистра 19 электрически связан с цифровым выходом двоичного счетчика 16, а цифровой вход буферного регистра 20 — с цифровым выходом двоичного счетчика 17, стробируемые входы буферных регистров 19 и 20 электрически связаны с выходом двухпорогового компаратора 12 и блоком .сопряжения 21, на вход которого подаются электрические сигналы с выходов двухпорогового компаратора 12, блока выделения кадровых синхроимпульсов 15, и цифровые

1770120 сигналы с выходов буферных регистров 19 и

20, Выходы блока сопряжения 21 электрически связаны со входами буферных регистров 19 и 20, вычислительным блоком 22 (например, ЭВМ), блоком усилителей 23 и приводом вращения 7 голографического пространственного фильтра 6. Блок сопряжения 21 может быть выполнен в стандарте

КАМАК, содержащем типовые блоки: цифро-аналоговый преобразователь (2ЦАП10), модуль управления шаговым двигателем (МУШД), модуль обмена данными (МОД вЂ” 1), аналого-цифровой преобразователь (АЦП13/20).

Устройство работает следующим образом. Чувствительным элементом является передающая трубка телевизионной камеры

3, установленная на расстоянии от рабочей плоскости 2, определяемым условием совпадения масштабов изображения рабочего объекта на экране ЭЛТ 5 и эталонного объекта, Фурье-голограмма которого записана на пространственном фильтре 6, В рабочем режиме оптический голографический коррелятор выполняет корреляционный анализ изображений обьектов, попадающих в поле зрения телекамеры 3, Чувствительный элемент телекамеры 3 воспринимает множество объектов, находящихся в рабочей плоскости 2, и преобразует его в электрический сигнал, который затем поступает в блок 4, где происходит оконтуривание изображений, Преобразованный сигнал поступает а ЭЛТ 5, на экране которой воспроизводится контурное иэображение объектов, находящихся в рабочей плоскости

2. Световой поток с экрана ЗЛТ 5 проходит через пространственный фильтр 6, и Фурьепреобразующие линзы 9, 10 а результате чего в корреляционной плоскости на фотомишени видеодатчика 8 формируется световое поле, распределение интенсивности которого пропорционально функции взаимной корреляции эталонного изображения и той части оконтуренного изображения, которая оказывается светящейся на экране

ЗЛТ 5 в текущий момент времени. Сигнал, полученный в результате полного накопления элементами фотоэлектрического преобразователя светового потока за время кадровой развертки ЭЛТ 5, пропорционален функции взаимной корреляции эталонного изображения и всего изображения на экране ЭЛТ 5.

Показатели наличия распознаваемого объекта в рабочей плоскости является появление в выходной плоскости голографического коррелятора четкого автокорреляционного сигнала, представляющего собой пространственно-локализо5

55 ванный максимум интенсивности излучения на фоне общего распределения интенсивности со значительно меньшей амплитудой, соответствующего функциям взаимной корреляции, Нижний порог двухпорогового компаратора 12 выбирается таким образом, чтобы электрический сигнал, соответствующий максимуму автокорреляции превышал указанный порог на 10 — 20 (для исключения влияния шумов устройства), но был выше уровня сигналов, соответствующих функциям взаимной корреляции..Верхний порог двухпорагового компаратора 12 выбирается из условия исключения влияния на работу компаратора синхроимпульсов, содержащихся в видеосигнале (ниже их уровня). Корреляционный метод распознавания изображений по амплитудному признаку основан на известной теореме Коши-Шварца, согласно которой сигнал автокорреляции всегда превышает сигнал взаимной корреляции (корреляционный функционал достигает своего максимума на данном классе функций только в случае автокорреляции). В том случае, если напряжение на выходе видеодатчика 8, соответствующее степени интенсивности светового распределения в корреляционной плоскости не превышает нижнюю пороговую величину, установленную в двухпороговом компараторе 12, на выходе компаратора 12 устанавливается сигнал низкого уровня, соответствующий либо отсутствию искомого объекта в рабочей плоскости, либо несовпадению ориентаций искомого и эталонного лзображений обьекта. По этому сигналу, который через блок сопряжения 21 поступает в вычислительный блок 22, где программным путем вырабатывается команда на дискретное вращение пространственного фильтра 6. В результате устройство вращения 7 приводит во вращение пространственный фильтр 6 с угловой дискретностью, определяемой выбранной угловол точностью устройства, Вращение пространственного фильтра 6 осуществляется до тех пор, пока уровень напряжения. соответствующий корреляционному максимуму в световом распределении выходной плоскости коррелятора не превысит "-аданного порогового напряжения компаратора 12, что является показателем наличия искомого объекта в рабочей плоскости и совпадение ориентации иэображений этого обьекта на экране

ЭЛТ 5 и эталонного изображения фильтра 6;

В этом случае на выходе компзратора 12 формируется строб-сигнал, поступающий через устройство сопряжения 21 в вычислительный блок, где программным путем формируется команда на останов вращения

1770120 пространственного фильтра 6. Программным же путем на основе данных о первоначальной ориентации пространственного голографического фильтра 6 и числа дискретных угловых вращений, выполненных устройством вращения 7 до его останова, вычисляется угловая ориентация распознаааеМого изображения во входной плоскости голографического фильтра 6 (и соответственно ориентация детали в рабочей плоскости 2 ). Определение пространственных координат Х и У обьекта в рабочей плоскости 2 осуществляется следующим образом.

Двухпороговый компаратор 12 при наличии на его входе видеосигнала, уровень напряжения которого превышает или соответствует пороговому напряжению компаратора

12, вырабатывает строб-сигнал высокого уровня; при этом амплитудный селектор 13 постоянно выделяет из видеосигнала строчные и кадровые синхроимпульсы, поступающие затем на входы блоков выделения задних фронтов строчных 14 и кадровых 15 синхроимпульсов. На вход двоичного счетчика 17 поступают синхроимпульсы, выделяемые амплитудным селектором 13, а его цифровой выход электрически связан с входом буферного регистра 20, данные в который записываются по строб-сигналу компаратора 12, что позволяет зарегистрировать номер той строки, на которую пришел корреляционный пик, и, соответственно, определи1ь одну из пространственных координат обьекта в предметной плоскости. С начала нового кадра счетчик 17 обнуляется стробом блока 15, формируемого по заднему фронту кадрового синхроимпульса, Счетчик 16 обнуляется задним фронтом каждого строчного синхроимпульса, после чего счетчик 16 отсчитывает импульсы генератора 18 прямоугольных импульсов, частота которого выбрана из условия соответствия верхней границе частотного спектра видеосигнала, что дает точность определения другой пространственной координаты до одного элемента разрешения телевизионного изображения используемого телевизионного стандарта.

Цифровой выход счетчика 16 электрически связан с входом буферного регистра 19, запись двоичного представления числа прямоугольных импульсов в буферный регистр

19, вырабатываемых тактовым генератором

18 с момента сброса счетчика 16 задним фронтом очередного строчного синхроимпульса, происходит только при наличии сигнала высокого уровня (строб-сигнала) на выходе компаратора 12, Считывание двоичного представления пространственных координат объекта с буферных регистров 19 и

20 в вычислительный блок 22 осуществляется по команде, вырабатываемой соответственно вычислительным блоком 22 и передаваемой через блок сопряжения 21 на

5 буферные регистры 19 и 20. Таким образом, при наличии автокорреляционного пика в выходной плоскости голографического коррелятора в оперативную память загружается двоичное представление координат, 10 характеризующих пространственное положение объекта в рабочей плоскости и его угловая координата.

Для однозначного определения координаты входного изображения на экране ЗЛТ

15 5 с предельно возможной точностью необходимо, чтобы временная когерентность излучения катодолюминофора ЭЛТ 5 отвечала соотношению

il 49

20 <ж - 4 где — средняя длина волны;

Ail — эффективная ширина спектра;

N — число элементов разрешения телевизионного растра на экране ЭЛТ 5.

25 Формула изобретения

1. Устройство корреляционного зрения робота, содержащее телекамеру, блок оконтуривания изображений, оптический коррелятор, логическую схему„преобразователь

30 сигналов и робот с силовыми приводами, причем оптический коррелятор состоит из установленных последовательно электронно-лучевой трубки, эталонной маски линзы и фотодиодов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, 35 с целью расширения функциональных возможностей. коррелятор выполнен голографическим и состоит иэ установленных последовательно электронно-лучевой трубки с катодо-люминисцентным квазимонох40 роматическим экраном, первой Фурье преобразующей линзы, голографического пространственного фильтра, второй Фурье преобразующей линзы и видеодатчика, фотомишень которого является многоэлемент45 ным фотоэлектрическим преобразователем с полным накоплением заряда, причем голографический пространственный фильтр установлен с возможнОстью вращения вокруг оптической оси и кинематически связанный

50 с устройством вращения, а передняя фоKQAbH8A плоскость первой Фурье преобразующей линзы совпадает с плоскостью экрана электронно-лучевой трубки, ее задняя фокальная плоскость совпадает с

55 плоскостью голографического пространственного фильтра, передняя фокальная плоскость второй Фурье преобразующей линзы совпадает с плоскостью голографического пространственного фильтра, а ее задняя фо1770120

10 кальная плоскость совпадает с плоскостью фотомишени видеодатчика, вход коррелятора соединен с выходом блоком оконтуривания изображений, вход которого соединен с выходом телекамеры, а выход коррелятора соединен с входом блока-анализатора видеосигнала, который связан с входом блока сопряжения, а выходы соединены с входами вычислительного блока, с входом привода вращении голографического пространственного фильтра и входами блока усилителей, соединенного с роботом, Составитель Е. Волков

Техред M.Моргентал Корректор И. Шулла

Редактор

Заказ 3701 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета па изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101

2. Устройство по п,1, отл и ч а ю щеес я тем, что временная когерентность излучения катодо-люминофора электронно-лучевой трубки выбрана из соотношения (} a — 4N.

49 где Л вЂ” средняя длина волны;

ЛА — эффективная ширина спектра;

Й вЂ” число элементов разрешения телевизионного растра на экране электроннолучевой трубки, а телекамера, используемая для формирования изображений, синхронизирована с видеодатчиком на выходе голографического коррелятора.

3. Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок-анализатор видеосигнала содержит двухпороговый компаратор, амплитудный селектор, блок выделения задних фронтов строчных синхроимпульсов M б.l !c выделения задних фронтов кадровых синхроимпульсов, два двоичных счетчика, генератор тактовых импульсов и два буферных

5 регистра, вход двухпорогового компаратора электрически связан с выходом видеодатчика, а выход — с блоком сопряжения, вход амплитудного селектора электрически связан с выходом видеодатчика, э выход — с

10 блоками выделения задних фронтов строчных и кадровых синхроимпульсов, входы первого двоичного счетчика электрически связаны с выходами блока выделения задних фронтов строчных синхроимпульсов и

15 генератора тактовых импульсов, э входы второго двоичного счетчика электрически связаны с выходом амплитудного селектора и выходом блока выделения задних фронтов кадровых синхроимпульсов, выход по20 следнего электрически связан с блоком сопряжения. цифровой вход первого буферного регистра электрически связан с цифровым выходом первого двоичного счетчика, а цифровой вход второго буферного регист25 ра — с цифровым выходом второго двоичного счетчика, стробируемые входы записи обоих буферных регистров электрически связаны с выходом двухпорогового компаратора и выходом блока сопряжения, а цифровые

30 выходы буферных регистров электрически связаны с цифровым входом блока сопряжения,