Системы адаптивного управления роботами

Сибирский государственный аэрокосмический
университет
имени академика М.Ф. Решетнева

Кафедра ТМС

РЕФЕРАТ
 
Тема: Системы адаптивногоуправления роботами


План:
 
                                                                      Стр.
 
1. Введение                                                                 3
2. Уровниадаптации                                                     4
3. Особенности адаптивных системуправления             6
4. Структура адаптивных системуправления                 8
5. Программное обеспечение системуправления
        адаптивныхроботов                                                 11
6. Основные функции программногообеспечения         12
7. Заключение                                                             14
8. Список использованнойлитературы                          15        

Введение
Адаптация(аккомодация) является основной реакцией жи­вого организма, обеспечивающей емувозможность выжива­ния. Она означает приспособление организма к изменяющимсявнешним и внутренним  условиям. Реализация этого принципа в техни­ческих системах,а именно в робототехнике, по-види­мому, имеет много достоинств, а иногда ипросто необходима. Понятие адаптации или адаптивности в технике носит очень широкийхарактер и имеет поэтому много толкований. К со­жалению, до сих пор нет точногообщепринятого определения адаптивной системы, поэтому попытаемся пояснить смыслэтого термина следующими рассуждениями.
Как известно, спомощью разомкнутого управления без об­ратной связи можно исключить влияние навыходные пара­метры объекта некоторых предсказуемых внешних возмуще­ний приусловии, что характеристики отдельных компонент и элементов системы управлениядостаточно просты и их свой­ства не изменяются.
Ликвидироватьвлияние непредсказуемых внешних возмущений на поведение объекта возможно врамках традиционной теории управления. Для этого необходимо использовать принципобратной связи, т.е. организовать замкнутую систему управления, свойства всехэлементов которой полагаются известными и не изменяющимися во времени. Иногдаможет допускаться дрейф некоторых характеристик, но в очень незначительныхпределах. Однако на практике часто встречаются такие объекты управления,амплитудные и частотные параметры которых варьируются в широких пределах под действиемвнешних причин с течением времени и в силу свойств самого объекта. В несколькораз может изменяться момент инерции манипулятора в сложенном состоянии поотношению к полностью вытянутому; вязкость рабочей жидкости в полостях гидроцилиндровподводного робота, работающего на разных глубинах моря при различных глубинах итемпературе воды; трение в опорах двигателей в процессе загрязнения и старениясмазки и многие другие характеристики. В то же время при управлении сложнымиобъектами – гибкими производственными модулями, линиями или участками,состоящими из многих единиц оборудования, количество внешних и внутреннихфакторов, оказывающих возмущающее действие на их работу, резко возрастает. Срединих могут быть ошибки позиционирования заготовок или даже их отсутствие внужный момент, износ обрабатывающего инструмента, отклонение стыка свариваемыхдеталей от  заданной траектории движения электрода сварочного автомата, раскачиваниедеталей  на подвесном конвейере в процессе захвата их роботом и другие подобныефакторы, требующие адаптации управляющей системы, т.е. самонастройки и приспособленияк реальным условиям эксплуатации. Реакция системы управления проявляется в измененииструктуры, параметров, а иногда и алгоритма действий так, чтобы гарантироватьдостижения поставленной цели.
Существуют общиесвойства, характеризующие процесс адаптации:
-    выходные параметры объектарегулирования и характеристики возмущающих факторов находятся под постояннымконтролем и управлением с помощью устройств, дополнительно включаемых в составуправляющей системы;
-    наблюдаемое поведение объектаописывается некоторым показателем качества, оценивающим в количественной формехарактер протекания процесса управления;
-    отклонение показателя качестваза пределы допуска влечет за собой автоматическую настройку параметров регулятораили замену алгоритма управления, результатом которых является достижениежелаемого показателя качества или реализации поставленной цели.
Описанныесвойства присущи в более или менее ярко выраженной форме всем адаптивнымсистемам управления, всегда являющимися системами с обратной связью.
Уровни адаптации
В зависимости отцели управления адаптивные системы в робототехнике можно условно разделить наследующие уровни.
Первый уровень характеризуетсяспособностью самонастройки параметров регулятора на основе информации осостоянии объекта, находящегося под возмущающим действием внешней среды. Оценкасостояния объекта может осуществляться либо прямым измерением требуемых параметров,либо путем их идентификации. В последнем случае на объект подаются определенныепробные управляющие воздействия, фиксируется его реакция и на основании анализаповедения объекта дается оценка априорно неизвестным или изменившимся егопараметрам. Характерным примером этого уровня адаптации робототехническойсистемы может служить регулятор, управляющий замкнутым по положению электрогидравлическимприводом манипулятора подводного аппарата. Особенность эксплуатации подводныхроботов заключается в необходимости поддержания на заданном уровне статическихи динамических параметров гидроприводов в широком диапазоне температур идавлений окружающей среды. Температура слоев воды может значительно отличаться,что может привести к изменению вязкости рабочей жидкости и, как следствие, кнепредсказуемому дрейфу характеристик привода. Устранить это неприятное явлениеспособна адаптивная система управления, идентифицирующая изменениехарактеристик и обеспечивающая соответствующую самонастройку параметроврегулятора.
Длявторого уровня адаптации робототехнических систем характерно включение всостав управляющего устройства дополнительных информационных средств,обеспечивающих сбор и обработку данных о состоянии внешней среды. На основаниианализа изменений внешней среды осуществляется коррекция управляющей программыробота, позволяющая в новых условиях достичь поставленной цели. Хотя на этомуровне адаптации коррекция программных действий допускается лишь в небольшихпределах, эффект от применения таких адаптивных систем управления на практикезначителен. Примером может служить электродуговая роботизированная сваркакрупногабаритных изделий. В этом технологическом процессе трудно обеспечить постоянствопространственного расположения линии стыка свариваемых частей от изделия к изделию.Поэтому сварочный робот должен уметь корректировать программную траекторию движенияэлектрода в соответствии с реальным положением линии стыка, измеряемымспециальными датчиками.
Понятиецели управления для адаптивных робототехнических систем третьего уровнявытекает из требования реализации максимальной производительности приобеспечении отсутствия брака. Характерны для этого уровня адаптации развитыесредства для сбора информации о внешней среде, самодиагностирования, а,возможно, и саморемонта компонент управляемой производственной системы. Пояснимсказанное примерами.
Однойиз сложных с точки зрения автоматизации является операция абразивной зачисткилитья, особенности которой заключаются в криволинейности формы отливок,отсутствии на них базовых поверхностей, которые можно было бы принять за началоотсчета для последующих точных перемещений и износ абразивного инструмента,поэтому выполнить абразивную зачистку или шлифование изделий, используя робот спрограммным управлением, практически невозможно. Решение этой задачи можнонайти только в классе адаптивных систем, дополнив управляющее устройство роботасредствами для контроля качества обработки поверхности отливки, датчиками силрезания и износа абразивного инструмента.
Системауправления адаптивного модуля абразивной зачистки, анализируя степень шероховатостиповерхности, может принять решение о повторном цикле обработки текущего участкадетали или дать команду роботу переместить в зону шлифования следующий ееучасток. Одновременно, используя информацию о силах резания и оценивая износабразивного инструмента, адаптивная система управления может организовыватьоптимальные с точки зрения производительности режимы обработки.
Другимпримером адаптации робототехнической системы, при которой происходит изменениеалгоритма управления, служит гибкая производственная система, например,механообработки, включающая в себя несколько единиц или десятков металлорежущихстанков, объединенных автоматической транспортной складской системой. Такаясистема функционирует по заданной программе до тех пор, пока не произойдеткакой-либо сбой. Если, например, выйдет из строя один из обрабатывающихцентров, то система управления ГПС должна, оперативно оценив обстановку,принять решение о последующих действиях, разработать, возможно ценой сниженияпроизводительности, новую технологическую схему последовательной обработки изделий,выпускаемых данной гибкой производственной системой, и обеспечитьфункционирование станков и транспорта по новой маршрутной схеме до тех пор,пока ремонтная бригада не вернет в строй аварийный станок.
Рассмотренныеуровни адаптации робототехнических систем различаются не столько количествомдополнительных устройств, обеспечивающих сбор и обработку информации об изменениипараметров оборудования, внешней среды и характере их взаимодействия, скольковозможностью организовывать системы, способные функционировать во все болеесложных, непредсказуемых изменениях условий эксплуатации.
Особенности адаптивных системуправления
 
Общие принципыорганизации адаптивной системы управления можно проследить на примерепромышленного робота, осуществляющего съем деталей с подвесного конвейера иукладку их в тару.
Если моментпрохождения деталью заданного положения известен, то задание может бытьвыполнено роботом, управляемым по жесткой программе. Для этого достаточнозадать координаты точек позиционирования в исходном положении, положениизахвата и положении тары, в которую ориентированно укладываются детали. Алгоритм,лежащий в основе программы действий робота, можно представить в следующем виде:
1 – задать координаты точек позиционирования;
2 – перенести захватное устройство в положение захвата детали;
3 – перейти в положение захвата детали;
4 – включить пневматическое захватное устройство;
5 – перейти в исходное положение;
6 – перенести захватное устройство с деталью к таре;
7 – выключить пневматическое захватное устройство;
8 – повторить с метки 2.
Однако успешнаяперегрузка деталей с конвейера в тару будет продолжаться, пока не возникнетпусть даже незначительное отклонение положения детали от заданного в программе.Причиной отклонения может быть неравномерность скорости движения конвейера илираскачивание детали. В этом случае деталь будет захвачена роботом неверно илине будет захвачена вовсе. Естественно, робот не заметит подобного сбоя и будетпродолжать совершать ошибочные действия, пока не вмешается человек-оператор ине выключит его.
Сбои из-занеравномерности движения конвейера можно исключить, сохранив программный режимработы. Для этого достаточно оснастить конвейер датчиком, срабатывающим в моментпрохождения крюком конвейера заданного положения захвата, установив вуправляющей программе между метками 2 и 3 условный оператор, разрешающийпереход на метку 3 только после получения сигнала датчика.
Однако введение всистему управления датчика положения крюка конвейера не исключает сбоев отраскачивания деталей. Кроме того, программное управление оказывается бессильным,если детали неверно подвешены на конвейере. Очевидно, что решить данную задачупод силу только адаптивной системе управления. Для этого существующий робототехническиймодуль необходимо оснастить не только датчиком положения крюка, а еще исредствами для распознавания деталей и измерения координат точки для ихзахвата. В этом случае рассмотренный выше алгоритм действий роботамодифицируется в такую последовательность:
1 – задать координаты точек позиционирования: исходной и тары;
2 – перенести захватное устройство в исходное положение;
3 – по сигналу датчика положения крюка произвести распознавание детали,измерить координаты точки захвата и ориентацию детали;
4 – перейти в положение захвата, ориентировать захватное устройство по отношениюк оси детали;
5 – включить пневматическое захватное устройство;
6 – перейти в исходное положение;
7 – перенести захватное устройство с деталью к таре;
8 – выключить пневматическое захватное устройство;
9 – повторить с метки 2.
Таким образом,дополнительные устройства, введенные в систему управления, и модификацияисходной программы позволяют обслуживать конвейер, перемещающийся с априори неизвестнойскоростью и произвольным, в определенных пределах, расположением деталей.
Структура адаптивных системуправления
Анализируяфункции программной и адаптивной систем управления роботом, решающимрассматриваемую задачу, можно заметить, что они отличаются только устройствами,воспринимающими информацию о внешней среде. Эти устройства обрабатывают этуинформацию и выбирают последовательность обхода уже имеющихся в программеробота точек позиционирования (рис.1).
/>
Рис.1. Схемы управления адаптивным и программным
роботом.
Компонентыадаптивной и программной среды, отвечающие за исполнение выбраннойпоследовательности обхода заданных точек, оказываются сходными.
Такимобразом, основное свойство адаптивных систем – реализация целиуправления в условиях недетерминированной внешней среды и дрейфа параметровробота – отражается в структуре двумя новыми элементами: информационной системой,а также устройством для вычисления координат целевых точек и последовательностиих обхода, использующим информацию об изменениях, произошедших во внешней средеи компонентах робота.
Функцииуправления адаптивным роботом выполняет вычислительное устройство, уровеньсложности которого определяется уровнем адаптации робота. В простейшем случаеэто может быть микропроцессор или микроЭВМ, для сложных адаптивныхробототехнических систем вычислительное устройство может представлять собоймультимикропроцессорную сеть.
Длясовременных адаптивных робототехнических систем характерно совмещение ввычислительном устройстве функции адаптации к изменениям внешней среды ипараметров приводов робота с широким набором аппаратурных и программных средствсамодиагностики и устранения мелких неисправностей в самой системе управления.
Нарис.2 показан один из возможных вариантов структуры мультимикропроцессорногоустройства, управления адаптивным роботом. Устройство включает в себяоднотипные микропроцессоры (МП), объединенные общей магистралью и обменивающиесяинформацией с общим оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Каждый измикропроцессоров имеет свое собственное локальное запоминающее устройство (ЛЗУ)для хранения команд и данных и устройство ввода-вывода информации (УВВ) длясвязи с периферийной аппаратурой, работой которой управляет данныймикропроцессор. Связь между микропроцессором, его памятью и устройствомввода-вывода осуществляется с помощью локальной магистрали.
Несмотряна то, что микропроцессорные модули имеют одинаковую структуру, они выполняютразличные функции. Так, один из них осуществляет сбор и обработку внешней информации,другой обеспечивает связь с терминалом и интерпретирует команды оператора,третий вычисляет управляющие воздействия и контролирует работу приводов робота,а четвертый отвечает за связь с внешним технологическим оборудованием и верхнимуровнем управления автоматической линией или участком.
/>
Рис.2. Структура мультимикропроцессорного устройстваадаптивного управления роботом.
Особенностьюданной структуры вычислительного устройства является возможность самодиагностикии саморемонта, которая реализуется с помощью блока контроля магистрали(БКМ). Функции самодиагностики и мелкого саморемонта относятся к одним изважнейших в современных системах управления адаптивным роботам, так как ихвыполнение обеспечивает безаварийную работу гибкого производственного модулядаже в условиях сбоев и частичного отказа аппаратуры.
Анализируяпорядок прохождения сигналов по общей магистрали и их параметры, БКМ оцениваетисправность отдельных микропроцессорных модулей и приемопередатчиков, связывающихмикропроцессоры с общей магистралью. Если какой-либо микропроцессорный модульвышел из строя, то наряду с сообщением о замеченной неисправности, передаваемымоператору на верхний уровень управления, блок контроля магистрали формируеткоманду на отключение аварийного модуля и передачу его функций работоспособныммикропроцессорам. Если же вышел из строя только приемопередатчикмикропроцессора, то по команде БКМ может измениться структура связей междумикропроцессорами. Например, используя резервные каналы ввода-вывода, имеющие,как правило, меньшую пропускную способность, чем общая магистраль, можно осуществлятьпередачу информации между микропроцессорами, соединив их по принципу «каждый скаждым».
Конечно,саморемонт адаптивной системы является временной, вынужденной мерой, так какпри этом несколько снижается производительность вычислительного устройства,однако живучесть робототехнического модуля оказывается очень высокой.
Программное обеспечение системуправления адаптивных роботов
Функциипрограммного обеспечения адаптивного робота состоят в обслуживании внешних поотношению к системе управления объектов: человека-оператора, приводов робота,информационной системы, технологического оборудования и вычислительногоустройства верхнего уровня управления (рис.3).
/>
Рис.3. Структура программного обеспеченияадаптивного
робота.
Системауправления взаимодействует с человеком-оператором в режиме активного диалога, впроцессе которого человек выполняет следующие действия:
-    формирует рабочую программу, которая может быть представлена в виденабора данных, описывающих точки позиционирования захватного устройства роботаи управляющие сигналы на технологическое оборудование, или в виде набораинструкций на проблемно-ориентированном языке;
-    редактирует рабочую программу с помощью программы-редактора данных илиредактора текста, поскольку, как было сказано выше, программа можетпредставлять собой либо данные, либо инструкции;
-    создает объектный и загрузочный модули рабочей программы, обеспечиваетудаление старых файлов, включение новых, переименование и хранение программ вбиблиотеке;
-    отлаживает рабочую программу, т.е. при поддержке программногообеспечения осуществляет ее пошаговое исполнение, анализирует результатыотладки и при удовлетворительном качестве программы дает команду на ее исполнение;
-    реализует функции контроля исправности оборудования, в частности, проверяетканалы связи с технологическим оборудованием, калибрует измерительные системыробота и выполняет другие операции диагностирования.
Основные функции программного обеспечения
 
По отношению кисполнительному устройству робота – манипулятору – функции программногообеспечения широки и многообразны. В зависимости от уровня интеллекта роботаони могут включать: подробный анализ задания; разбиение его на подзадачи иэлементарные действия; планирование движения инструмента или захватногоустройства для реализации этих действий; определение последовательности точекпозиционирования, обход которых позволит воспроизвести желаемую траекторию и,наконец, преобразование координат точек позиционирования инструмента втребуемые положения сочленений манипулятора и формирование команд управленияприводами.
Важной с точкизрения организации взаимодействия гибких производственных модулей, составляющихлинии и участки, является поддержка программным обеспечением робота информационногообмена с верхним по отношению к нему уровнем управления.
Конечно,существуют гибкие производственные модули с адаптивными роботами, работающиеполностью автономно. Однако в этом случае на плечи системы управления робота иее программного обеспечения ложатся функции координации действий всехкомпонент ГПМ. Кроме того, при появлении каких-либо неполадок или сбоев вработе невозможно послать запрос о помощи вышестоящей системе управления.
С другойстороны, если существует канал связи адаптивного робота с ЭВМ верхнего уровня ипроцесс обмена поддерживается с двух сторон программным обеспечением,появляется уникальная возможность создания иерархии уровней управления с четкимразделением задач каждого и сопутствующей унификацией программного обеспеченияи языков программирования каждого.
В этом случаеЭВМ, управляющая гибким производственным модулем, который, как правило,является верхним уровнем по отношению к роботу, берет на себя координациюдействий оборудования ГПМ, устранение возможности аварийных ситуаций, напримерстолкновения манипулятора с подвижными участками других устройств илистолкновения двух манипуляторов, оперирующих в одной зоне, диагностированиеоборудования ГПМ и ряд других функций, осуществляемых программным обеспечениемадаптивного робота при автономной работе ГПМ под его управлением.
При обслуживанииинформационных систем функции программного обеспечения адаптивногоробота зависят уже от уровня интеллекта его сенсоров. Если обработка информациио внешней среде осуществляется самой сенсорной системой, то программноеобеспечение робота должно организовать лишь прием данных. В противном случае вего функции включается также обработка и выделение информации, пригодной для целейуправления, а также определение адресата из числа программных модулей,ответственных за управление, которому эта сенсорная информация предназначена.
Кромеперечисленных функций программное обеспечение должно решать общесистемныезадачи по обработке сигналов прерываний, по управлению вводом-выводоминформации, распределению вычислительных ресурсов и т.д.
Оцениваяизложенные выше основные функции программного обеспечения адаптивного робота,можно заметить их сходство с функциями универсальных операционных системреального времени. Действительно, если сравнивать основные компонентыуниверсальных операционных систем и систем программирования адаптивных роботов,то прослеживается их аналогия.