Пандемия коронавируса COVID-19 может дать новый толчок развитию робототехники. Один из уроков, который нам преподнес этот глобальный кризис, — нельзя сосредотачивать все производства в одном месте. Соответственно, начнется процесс возрождения многих отраслей в США, Европе и России, но уже на новых принципах, с широким применением автоматизации и цифровизации. И здесь важное место отведено светотехнике. Современным роботам нужно качественное освещение, не похожее на освещение для людей.
В наше время много говорят об искусственном интеллекте. Но не следует забывать, что каким бы мощным ни был интеллект созданного человеком устройства, он по-прежнему остается искусственным. Можно создать гигантский объем памяти, обеспечить быстродействие, недостижимое для человеческого мозга, но мы все еще только имитируем процесс мышления с применением доступных нам средств. Особенно это заметно на визуальном восприятии объектов человеком и машиной.
Компьютеры не любят неопределенности
С характерным примером различия между человеческим и машинным зрением вы непременно сталкивались, когда оформляли биометрический заграничный паспорт РФ. Фотография на такой паспорт делается с применением строго определенного типа кольцевой лампы. При этом на фотоснимке четко проявляются все характерные особенности лица, позволяющие однозначно идентифицировать гражданина. Автору статьи еще не приходилось встречать людей, которым бы нравилась их фотография в биометрическом паспорте. Тем не менее для компьютерных систем распознавания лиц именно такая фотография является предпочтительной. По такому же принципу устроено и зрение промышленных роботов.
Но когда ставится задача сделать фотографию наиболее приятной (и одновременно понятной) для человеческого глаза, в ход идут совсем другие средства, в числе которых направленное освещение, игра с тенями и т. п. Причем так делают даже при съемке на обычные (не биометрические) документы.
Дело в том, что наш мозг с момента рождения постоянно учится распознаванию зрительных образов. Мы можем понять игру тени, мысленно «дорисовать» части предмета, которые нам не видны. Что же касается роботов, то их «обучают» на ограниченный набор предметов и условий, у них нет такого понятия как «интуиция».
Спектр и быстродействие
Промышленные роботы, оснащенные видеокамерами, в большинстве случаев «видят» примерно в том же, или более узком, спектральном диапазоне, что и люди. Поэтому для освещения обозреваемого роботом пространства используют светодиоды белого свечения на основе люминофора. Следует иметь в виду, что восприятие цвета человеком и роботом принципиально отличается, т. е. показатель CRI для рассматриваемого типа светильников неприменим.
Существуют применения, когда обрабатываемая деталь более контрастно выглядит в лучах определенного цвета. Или возможные дефекты продукции проявляются в инфракрасном либо ультрафиолетовом свете. Тогда используются монохроматические светодиоды или светодиоды соответствующего невидимого для человеческого глаза излучения. Нередко в одном осветительном приборе совмещают как светодиоды белого свечения, так и ультрафиолетовые (либо инфракрасные) светодиоды.
Особо следует отметить, что камера робота может быть намного более быстродействующей, чем человеческий глаз. Это, в частности, позволяет роботу выполнять технологические операции быстрее человека. «Скорострельность» у камеры робота может достигать 1000 кадров в секунду, что предъявляет особые требования к пульсациям освещения.
Пульсации с частотой порядка 300 Гц человек уже не замечает, а применительно к роботу они могут нарушить его «координацию движений». Вот почему осветительные приборы для роботов, как правило, питают постоянным током (со стабилизированным напряжением 12 или 24 В).
В импульсном режиме светодиоды выдерживают силу тока в 3 раза больше номинальной. Можно периодически включать освещение на короткое время (порядка 1 мс) и синхронно с этим осуществлять экспозицию видеокамерой. Такой подход позволяет увеличить пиковую мощность светильника, не меняя его размеры. Это важно для тех осветительных приборов, которые размещаются на «руке» робота. Импульсная подсветка утомляет людей, поэтому она возможна, только если рядом с роботом не присутствует персонал.
Виды освещения для машинного зрения
Робот, как уже отмечалось, начисто лишен интуиции, а его возможности рассмотреть деталь с разных точек ограничены. Для того, чтобы он смог сразу правильно распознать предмет, с которым работает, и «разглядеть» все, что нужно, применяют специальные приемы освещения. Опишем вкратце наиболее распространенные виды освещения, подходящие для «глаз» робота.
На практике перечисленные варианты освещения нередко используются совместно.
Выпускаются также модули, в которых совмещены видеокамера и интегрированный осветительный прибор. Их основным преимуществом является отсутствие необходимости настраивать камеру под конкретный светильник, так как это уже сделали на заводе. Недостатком является невысокая гибкость такого решения при частой перенастройке производства на новые виды продукции.
Вопросы безопасности
Помимо освещения, необходимого для машинного зрения, есть также освещение, обеспечивающее безопасность, так как рядом с роботом могут находиться люди. Для его организации устанавливаются промышленные и технические осветительные приборы, в том числе не разрабатывавшиеся специально для использования с роботами, но соответствующие определенным нормам. В нашей стране данные нормы прописаны в двух стандартах.
ГОСТ 12.2.072-98 «Роботы промышленные. Роботизированные технологические комплексы. Требования безопасности и методы испытаний», хотя и был принят в далеком 1998 г., до сих пор действует на территории России и ряда других бывших республик СССР. Согласно этому стандарту, в местах, где установлены роботы, должна обеспечиваться освещенность не менее 300 лк. Отношение максимальной освещенности к минимальной — не более 1,5. Пульсации не должны превышать 20 % (напомним — речь идет только об общем освещении). На случай ремонта общее и местное освещение должны в сумме давать 1500 лк. Такая же освещенность нормируется и при постоянном наблюдении человека за процессом.
При эпизодическом наблюдении освещение можно задиммировать до 750 лк.
Также существует ГОСТ Р 60.1.2.2-2016 «Роботы и робототехнические устройства. Требования по безопасности для промышленных роботов. Часть 2. Робототехнические системы и их интеграция», представляющий собой адаптацию международного стандарта ISO 10218-2:2011. Согласно ему, роботизированные системы должны иметь встроенное освещение, если это необходимо для обеспечения безопасности. При этом наличие достаточного уровня общей освещенности в помещении не отменяет необходимости во встроенном осветительном оборудовании. Для зон, куда часто осуществляется доступ персонала с целью проверки и регулировки, установлен минимальный уровень освещенности 500 лк.
Тем не менее в ГОСТ Р 60.1.2.2-2016 есть положение, допускающее неоднозначное толкование: «Робототехническая система должна быть сконструирована и построена так, чтобы не существовало ни затененных зон, способных вызвать неудобство, ни раздражающего ослепляющего света, ни опасного стробоскопического эффекта на движущихся частях из-за освещения». Использование импульсного освещения практически неизбежно приведет к возникновению стробоскопического эффекта, но критерии, когда он является опасным, не указаны.
Противоречие мог бы разрешить Технический регламент ЕАЭС по робототехнике, но его пока не существует. Поэтому приходится пользоваться нормами обоих действующих ГОСТ, учитывая, что требования ГОСТ 12.2.072-98 в целом более жесткие.
Будущее за OLED?
Органические светодиоды (OLED) дают мягкий, равномерный свет без использования дополнительных рассеивателей. Предполагается, что благодаря этому преимуществу OLED уже в ближайшие годы заменят обычные светодиоды в системах освещения для роботов.
OLED-освещение, безусловно, предпочтительно для роботов, которые работают с заведомо качественной продукцией. Скажем, сортируют товары на складе интернет-магазина или осуществляют несложную сборку. Но совсем другая ситуация складывается, когда речь идет о роботах, занимающихся контролем качества.
В качестве примера можно привести робота, выявляющего трещины на поверхности деталей и сбрасывающего с конвейера брак. Для распознавания трещин требуется направленный пучок света. Обеспечить его пока могут только обычные светодиоды.