Научная статья на тему 'Анализ систем регистрации движения применительно к испытаниям доильных манипуляторов'

Анализ систем регистрации движения применительно к испытаниям доильных манипуляторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
225
42
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДОИЛЬНЫЙ МАНИПУЛЯТОР / ДВИЖЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ / СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ / ТРАЕКТОРИЯ ДВИЖЕНИЯ / MILKING MANIPULATOR / MOVEMENT IN SPACE / SYSTEMS OF MOVEMENT REGISTRATION IN SPACE / MOVEMENT TRAJECTORY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Солдатов Виктор Геннадьевич

В статье рассмотрены вопросы использования систем регистрации движения в пространстве для испытаний доильных манипуляторов. Приведена классификация существующих систем регистрации движения по способу работы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Солдатов Виктор Геннадьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ANALYSIS OF MOVEMENT REGISTRATION SYSTEMS AS APPLIED TO MILKING MANIPULATORS TESTS

The problems of using movement registration systems as applied to milking manipulators tests are considered in the article. Classification of the above systems available according to their operation mode is suggested.

Текст научной работы на тему «Анализ систем регистрации движения применительно к испытаниям доильных манипуляторов»

Анализ систем регистрации движения применительно к испытаниям доильных манипуляторов

В.Г. Солдатов, аспирант, Оренбургский ГАУ

Для испытаний доильных манипуляторов разработаны различные конструкции и комплексы. В настоящее время активно развиваются системы регистрации движения в пространстве, использование которых, по нашему мнению, выведет проблему испытаний доильных манипуляторов на новый технологический уровень. Системы регистрации движения сделают возможным построение компьютерной модели перемещений исполнительного механизма доильного манипулятора, включая траекторию движения в пространстве, значение основных кинематических, динамических и угловых величин в каждой точке траектории. Анализ этой модели позволит выявить: способы работы и время, затраченное на перемещение манипулятора, показатели скорости и ускорения совершаемых движений, геометрические характеристики рабочей зоны манипулятора, физиологические последствия болевых ощущений, которым подвергается животное [1].

Существуют различные технологии, позволяющие осуществлять регистрацию движения объекта в пространстве, в том числе без непосредственного контакта с объектом. К системам регистрации движений в условиях производственных испытаний доильных манипуляторов предъявляются следующие основные требования.

1. Проведение испытаний не должно влиять на работу манипулятора и поведение коровы во время доения.

2. На исполнительных механизмах манипулятора (и на животном) недопустимо присутствие устройств с высоким напряжением.

3. Система должна обладать достаточной для научных исследований точностью регистрации движения (в инженерных исследованиях допустима 5%-ная ошибка отклонения результатов измерений).

4. Система должна быть мобильной.

Рассмотрим классификацию существую -

щих систем регистрации движения по способу работы.

Механические системы напрямую следят за сгибами звеньев механизма, для этого на него прикрепляется специальный механический скелет. В компьютер передаются данные об углах сгибов звеньев. Наиболее известная механическая система Gypsy отличается своей дешевизной и наилучшими техническими показателями в сравнении с соответствующими аналогами. Механический скелет, используемый в Gypsy, сделан из алюминиевых стержней, которые следуют за движением объекта и датчиков. За счёт движения изменяется сопротивление сгиба звеньев, которое детектируется с помощью потенциометров. Для захвата движения доильных манипуляторов необходим соответствующий скелет. Недостатком механических систем является их узкая специализация, то есть отсутствие на рынке систем приспособленных для регистрации движений биотехнических объектов машинного доения. Кроме того, наличие скелета на манипуляторе неизбежно повлияет на характер его движений, что в свою очередь даст погрешности в регистрируемых параметрах [2].

Гироскопические (инертные) системы для сбора информации о движении используют миниатюрные гироскопы и инертные сенсоры, расположенные на объекте. Показания с гироскопов и сенсоров передаются в компьютер, где и происходит их обработка и запись. Система определяет положение сенсора, а также угол его наклона.

Недостатки гироскопических систем:

• помехи движения манипулятора, вызванные необходимостью установки коробочки-контроллера, гироскопов, связки проводов, тянущихся от объекта к компьютеру;

• высокая стоимость гироскопов и инертных сенсоров (от 50 евро);

• требуется дополнительная мини-система (оптическая или магнитная) для определения объекта в пространстве, что приводит к удорожанию всей системы.

Магнитные системы для сбора информации о движении содержат специальные магниты. Их движение по магнитному потоку регистрируют ресиверы. К этим системам относятся Ascension, Polhemus. Главный их недостаток — высокая чувствительность к магнитным и электрическим помехам от металлических предметов и окружения (проводки, кабелей, арматуры в бетонном полу). Это большое препятствие их использования в работе с электромеханическими системами, такими как доильные манипуляторы. Недостатки магнитных систем:

• переменчивая чувствительность сенсоров значительно зависит от их положения в рабочей зоне;

• помехи движения манипулятора, вызванные необходимостью установки коробочки-конт-

роллера, магнитных маркеров, связки проводов, тянущихся от объекта к компьютеру;

• высокая стоимость магнитных маркеров (от 40 евро).

Наибольшее распространение получили оптические системы. Регистрация движения в них осуществляется благодаря маркерам, излучающим или отражающим свет, положение и перемещение которых фиксируют видеокамеры. Оптические системы делятся на две группы: активные и пассивные.

В оптических пассивных системах используются датчики-маркеры, которые только отражают посланный на них свет, но сами не светятся. В таких системах свет (обычно инфракрасный) посылается с установленных на камерах высокочастотных стробоскопов на маркеры. Отразившись от маркеров, свет попадает обратно в камеру, таким образом регистрируется позиция маркера. Оптические пассивные системы обладают существенным недостатком. При пересечении траектории движения двух и более маркеров система может переключиться с одного на другой и регистрировать пространственные координаты неверно.

Этого недостатка лишены оптические активные системы. Названы так потому, что вместо светоотражающих маркеров, которые крепятся к объекту, в них используются светодиоды с интегрированными процессорами и радиосинхронизацией. Каждому светодиоду назначается свой идентификационный номер, по которому система распознаёт его, даже после того как он был перекрыт и снова появился в поле зрения камер. Во всём остальном принцип работы таких систем схож с пассивными системами. К недостаткам активной системы следует отнести наличие дополнительного небольшого контроллера, подключенного к маркерам-светодиодам.

К оптическим системам предъявляется одно важное требование — отсутствие предметов на пути прохождения света от маркеров до камер и посторонних источников яркого света (бликов). Несоблюдение этого условия при оцифровке вызывает искажения в регистрируемых параметрах. Возможно частичное устранение искажений с помощью специальных программных средств.

Регистрация движения возможна и без использования маркеров. Например, при использовании программы Shoot3D не требуется специальное оборудование и освещение. Съемка осуществляется с помощью обычной камеры (веб-камеры) и персонального компьютера. Существуют программные комплексы, например, Войной, в которых для регистрации движения анализируется уже отснятое видео. Однако такие программы не способны строить трёхмерную модель движения, а значения получаемых параметров имеют вы-

Рис. - Классификация систем регистрации движения по способу работы с указанием основных недостатков

сокую погрешность. Подобные программы не предназначены для научных исследований.

На рисунке представлена классификация систем регистрации движений по способу работы.

Для проведения испытаний доильных манипуляторов лучше всего подходят оптические системы регистрации движения, потому что они в большей степени соответствуют сформулированным требованиям и лишены недостатков их аналогов.

Рассмотрим рынок оптических систем регистрации движения. Первая и единственная отечественная разработка — StarTrac. Система представляет собой биомеханический аппаратнопрограммный комплекс, предназначенный для изучения движений и математического моделирования двигательной активности [3].

Комплекс включает в себя: персональный компьютер под управлением операционной системы Microsoft Windows; аналоговую или цифровую видеокамеру со штативом; программное обеспечение; алюминиевый переносной тест-объект; набор световозвращающих маркеров.

Главным недостатком StarTrac является оснащение только одной видеокамерой, что делает невозможным регистрацию движений в пространстве. К тому же система фиксирует лишь величину углов сгиба звеньев исследуемой системы и не позволяет строить виртуальную модель движения. В связи с этим StarTrac не подходит для испытаний доильных манипуляторов.

Лидерами в области регистрации движения за рубежом являются фирмы Vicon, Advanced Mechanical Technology, Motion Analysis, Qualysis. Системы этих фирм оснащены специальным оборудованием. В частности, системы ком-пании Vicon оснащены цифровыми камерами Vicon Mcam2, которые позволяют снимать видео с очень высокой точностью и детализацией (1,3 мегапикселей), способны снимать 1000 кадров в секунду, различать соприкасаю-щиеся маркеры на расстоянии до 25 м от камеры [4].

Системы вышеуказанных фирм легко справляются с задачами компьютерного моделиро-

вания двигательной активности. В научных исследованиях такие системы используются для изучения кинематики звеньев различной степени свободы.

Следует отметить, что все существующие системы регистрации предназначены в первую очередь для создания анимации движений человека. Поэтому использование этих систем не адаптировано для моделирования движения биотехнических объектов машинного доения, таких как исполнительный механизм манипулятора. Так же они требуют больших финансовых затрат (500—700 тыс. евро). Решение проблемы видится в разработке собственной системы оптическо-

го видеоанализа, позволяющей осуществлять исследования в области движений объектов в пространстве и использовать её в испытаниях доильных манипуляторов.

Литература

1. Соловьёв С .А., Карташов JI.П. Исполнительные механизмы системы «человек—машина—животное». Екатеринбург: УрО РАН, 2001.

2. Motion capture [Электронный ресурс] // URL: http:// ru.wildpedia.org/wild/Motion_capture [Режим доступа свободный] .

3. Официальный сайт компании «VideoMotion» [Электронный ресурс] // URL: http://www.videomotion.ru [Режим доступа свободный].

4. Официальный сайт компании «Vicon» [Электронный ресурс] // URL: http://www.vicon.com [Режим доступа свободный] .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.