Media-security

ГОЛОГРАФИЯ, ЛАЗЕРЫ И РОБОТЫ: КОГЕРЕНТНО-ОПТИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РОБОТИЗИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ

А.Н.Малов, С.Н.Малов, И.Р.Михайлова

Рассматриваются возможные направления взаимодействия между голографией и робототехникой. Обсуждаются перспективы применения для анализа и синтеза лазерных технологических роботизированных систем теории степеней свобода оптического изображения.

Для дальнейшего развития робототехники необходимо решить ряд серьезных проблем, связанных с исследованием реальных робототехнических и манипулирующих систем как сложных динамических механических реальных конструкций /1/. Такие исследования имеют конечной целью получение двумерных и трехмерных распределений деформаций и напряжений как в отдельных узлах роботов (схваты, суставы, приводы и т. п.), так и во всем конкретном устройстве. Решение этой задачи методами классической тензометрии практически неприемлемо, поскольку наклейка тензодатчиков на контролируемый объект технологически сложна и ведет к искажению измерительной информации. По этой причине представляется неизбежным применение на стадии конструирования робототехнических систем методов голографической и спекл-интерферометрии /2/, являющихся единственным способом бесконтактного получения двумерных и трехмерных распределений деформаций анализируемого объекта.

Перспективность применения голографических методов в робототехнике и при производстве собственно роботов обуславливается также и современным требованием бесконтактности при проведении контрольных и измерительных операций в промышленности, что наилучшим образом удовлетворяется при использовании лазерных систем /3/. Более того, лазеры находят все более широкое применение в производстве как средство обработки материалов путем резки,

- 182 -

сварки и поверхностной закалки. Так что все более широкое применение лазерных систем на всех стадиях производства позволяет надеяться и на расширяющееся внедрение голографии в промышленность.

С другой стороны, методики получения голограмм и интерферограмм уже хорошо разработаны и для своего широкого использования требуют автоматизации с целью исключения участия человека в этих операциях. Очевидный путь для этого - создание роботизированных установок по типу уже существующих роботизированных лазерных технологических устройств /4/. Но в случае лазерной сварки или резки, как правило, нет необходимости в организации обратной связи - контроле и корректировке характеристик установки в процессе работы - поскольку мощность лазера всегда выбирается достаточно большой, чтобы наверняка получить нужный результат. В случае голографической роботизированной установки такая обратная связь необходима из-за неизбежных вариаций голографических характеристик регистрирующей среды и мощности записывающего излучения. Как принято говорить в робототехнике, для целей голографии нужен более интеллектуальный робот.

Высокая точность измерений в лазерной и голографической интерферометрии, легко достигающая десятых и сотых долей длины волны освещающего излучения, часто делает затруднительным измерение достаточно значительных смещений. Поэтому для проведения анализа больших смещений приходится использовать довольно сложные компьютерные системы обработки интерферограмм или прибегать к комбинации этих методик с более "грубыми" спекл-оптическими и триангуляционными лазерными способами.

Расшифровка интерферограмм, в свою очередь, требует точного знания параметров оптической схемы, в которой они записаны. В подавляющем большинстве случаев достоверность информации об этих параметрах сейчас обеспечивается высокой механической жесткостью элементов схемы и точной юстировкой контролируемого объекта. Это заставляет в каждом конкретном случае разрабатывать свои оптимальные и уникальные устройства позиционирования и нагружения исследуемого объекта. Это приводит

- 183 -

к созданию уникальных установок для голографической интерферометрии, хотя современная промышленная тенденция (нашедшая свое выражение в разработке гибких автоматизированных производств) требует создания универсальных автоматических контролирующих устройств с модульной, перестраиваемой структурой.

Очевидным способом автоматизации процессов голографической интерферометрии является использование роботов-манипуляторов для позиционирования и нагружения исследуемых объектов. Но современные роботы, как правило, не обеспечивают интерферометрической точности позиционирования /5/, а создание специальных манипуляторов для этого вряд ли целесообразно. Более перспективным представляется использование простых лазерных измерительных систем (работающих, например, по методу точной фокусировки или триангуляции) для постоянного контроля параметров оптической схемы, меняющихся из-за неточности манипулятора, и последующего ввода этих уточненных параметров в систему дешифровки интерферограмм. Если учесть, что реальная интерферометрическая система должна содержать в своем составе по крайней мере миникомпьютер для дешифровки интерферограмм, то добавление таких измерительных устройств не создаст особых трудностей в аппаратурной реализации, а потребует лишь определенной модификации программного обеспечения. Более того, эти же простые измерительные подсистемы могут использоваться как средства предварительного контроля, отбраковывающие детали, имеющие грубые отклонения от заданного стандарта до стадии интерферометрического контроля. Привлекательной чертой роботизированных систем голографической интерферометрии может оказаться и возможность автоматической юстировки схемы голографирования с целью получения наиболее легко интерпретируемых интерферограмм, хотя эта задача пока еще и не исследовалась.

Менее жесткие требования к манипуляторам предъявляются при роботизации процессов получения изобразительных голограмм. Экономическая эффективность автоматизации операций получения голограмм очевидна, поскольку позволит избавиться от участия

- 184 -

квалифицированных специалистов в довольно рутинной работе. Обратная связь в этом случае может основываться на контроле качества записи по скрытому изображению во время экспонирования. По-видимому, именно путем роботизации удастся создать технологические устройства для промышленного производства, голографических сувениров.

Кратко рассмотренные выше варианты сочетания голографии и робототехники лежат, что называется, "на поверхности" и достаточно очевидны. Более интересными являются возможные "идеологические" взаимодействия этих новых научных направлении между собой. Примером этого являются возможные перспективы такого взаимодействия на основе теории степеней свободы оптического изображения /6/.

В рамках этой теории любая оптическая система, формирующая изображение, описывается определенным числом степеней свободы. Под числом степеней свободы принято принимать число действительных величин, необходимых для полного описания любого изображения, формируемого системой. Каждая степень свободы описывается величиной λ, и модой изображения j _i, которые являются собственным значением и собственной функцией интегрального уравнения свертки для изображения. Распределение собственных значений λ_i в зависимости от номера моды изображения называется распределением степеней свободы. Общее число степеней свободы можно трактовать как размерность базиса (набора ортогональных функций j _i) в пространстве функций предмета, который позволяет описать все изображения, формируемые данной оптической системой. Чем меньше размерность этого базиса, тем меньшей разрешающей способностью обладает оптическая система. Появление шума в оптической системе может только уменьшать общее число степеней свободы данной оптической системы /7/.

Моды изображения, распределение степеней свободы и общее их число, то есть информационные характеристики системы, полностью определяются конструктивными параметрами оптической системы - ее зрачком, характеристиками освещающего излучения,

- 105 -

размером предмета и т.п. Основное достоинство концепции степеней свободы состоит в физической ясности перехода от оптических характеристик к информационным, что делает ее удобным языком для описания таких информационно-оптических систем, какими являются роботы или контрольно-измерительные устройства.

Одной из центральных проблем робототехники является создание систем технического зрения /8/. Главной целью технического зрения является формулировка описания окружающей робота обстановки в некоторых, заранее определенных, понятиях с тем, чтобы затем на базе этого описания определить план его (робота) действий. Сами понятия должны быть определены заранее, исходя из возможного многообразия окружающей среды, которое, хотя бы теоретически, конечно. Поскольку понятия не должны "перекрываться", ибо только в этом случае возможно взаимнооднозначное соответствие "внешнего мира" и его "внутреннего" (для робота) описания, то представляется разумным использовать в качестве таких понятий ортогональные моды изображения. При этом процедура определения понятия будет состоять в синтезе соответствующей конструкции оптической системы, общее число степеней свободы которой должно совпадать с числом этих понятий. А для создания описания изображения необходимо будет разложить его по модам оптической системы и определить их количественный вклад. При этом конструкция оптической системы может быть и не жесткой, если предусмотреть изменение ее зрачка с помощью, например, управляемых транспарантов и элементов адаптивной оптики либо различных алгоритмов опроса индивидуальных приемников фоточувствительной матрицы. Такая меняющаяся оптическая система может позволить роботу менять в зависимости от обстановки и систему мод изображения, а тем самым и систему понятий, с которыми он работает. Изложенные общие сведения могут служить не более чем основанием для проведения соответствующих исследований, так как в настоящее время работы в этой области отсутствуют, что делает невозможным оценку перспектив такого подхода.

- 186 -

Восприятие системой технического зрения объектов естественного мира представляет собой очень сложную задачу, до конца не решенную из-за того, что изображение может сильно меняться в зависимости от условий освещения. Поэтому в последнее время возрос интерес к активным системам зрения, действующим с лазерным подсветом /9/. Поскольку моды изображения и другие информационные характеристики оптической системы зависят от вида и параметров поля объекта, то структурированное освещение можно использовать для синтеза нужных информационных характеристик системы зрения. Для создания структурированного освещения можно использовать как пространственное перераспределение, так и пространственно-временное сканирование. Такой подход может быть применен в системах активного (локационного) тепловизионного контроля или дефектоскопии /1o/ для минимизации машинной обработки теплограммы, когда за счет соответствующим образом подобранной траектории пространственно-временного подогрева объекта лазерным лучом можно осуществлять выделение только нужных, а не всех, дефектов. Заметим, что и процессы лазерной технологии (резка, сварка, закалка) можно также рассматривать как процессы формирования изображения, понимая под этим создание распределения интенсивности лазерного излучения, необходимого для решения данной технологической задачи. Описание этих технологических процессов в терминах теории степеней свободы позволяет перевести их на "информационный язык", что может облегчить оптимизацию и роботизацию лазерных технологических установок в целом.

Движение рабочих органов роботов и самих робототехнических систем в целом можно также представить в виде траекторий в двух- или трехмерном пространстве, которые, в свою очередь, можно рассматривать как двух- или трехмерные бинарные изображения и поэтому описывать в терминах оптики и теории изображений. Применение такого описания может позволить осуществлять более логичную и целесообразную разработку лазерных роботизированных

- 187 -

систем, в отличие от современной механической и грубой состыковки лазерных и роботизированных систем. Кроме того, описание в рамках теории степеней свободы оптического изображения обеспечивает естественный переход от оптических характеристик к информационным, что необходимо для обеспечения компьютерного управления этими установками.

Таким образом, даже беглый обзор возможных направлений взаимодействия голографии и робототехники показывает, что существует большое количество перспективных исследований. Это позволяет надеяться, что работы на стыке этих направлений приведут к фундаментальным качественным изменениям как в голографии, так и в робототехнике.

Л и т е р а т у р а

1. Р.Эйрис, С.Миллер. Перспективы развития робототехники. - М.: Мир, 1986 - 328с.

2. Р.Джоунс, К.Уайкс. Голографическая и спекл-интерферометрия. - М.: Мир, 1986 - 328с.

3. В.Л.Катулин, А.Н.Малов. Лазерные контрольно-измерительные системы: проблемы и перспективы. - Вестник АН СССР, 1986, №6, с.52-62.

4. d.a.belforte. lasers and robots. – electro-optics. 1983. 15. №8. pp.26-29.

5. В.И.Костюк, А.П.Гавриш, Л.С.Ямпольский, А.Г.Карлов. Промышленные роботы: конструирование, управление, эксплуатация.-Киев: Вища школа, 1985 - 359с.

6. t. di francia. degrees of freedom of an images/Image. – j.opt.soc.am. 1969. 59. pp.799-804.

7. А.Н.Малов, В.Н.Морозов, И.Н.Компанец, Ю.М.Попов. Информационные характеристики голографической системы с оптическим синтезом апертуры. - М.: Препринт ФИАН №Т30, 1979 - 67с.

8. Ф.Куафе. Взаимодействие робота с внешней средой. - М.: Мир, 1985 – 285с.

9. Г.П.Катыс. Восприятие и анализ оптической информации автоматическими системами. - М.: Машиностроение, 1986 - 416с.

10. В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. Инфракрасные лазерные локационные системы. – М.: Воениздат, 1987 – 175с.