Системы адаптивного управления роботами

Сибирский государственный аэрокосмический

университет

имени академика М.Ф. Решетнева

Кафедра ТМС

РЕФЕРАТ

Тема: Системы адаптивного управления роботами

План:

Стр.

1. Введение 3

2. Уровни адаптации 4

3. Особенности адаптивных систем управления 6

4. Структура адаптивных систем управления 8

5. Программное обеспечение систем управления

адаптивных роботов 11

6. Основные функции программного обеспечения 12

7. Заключение 14

8. Список использованной литературы 15

Введение

Адаптация (аккомодация) является основной реакцией жи­вого организма, обеспечивающей ему возможность выжива­ния. Она означает приспособление организма к изменяющимся внешним и внутренним условиям. Реализация этого принципа в техни­ческих системах, а именно в робототехнике, по-види­мому, имеет много достоинств, а иногда и просто необходима. Понятие адаптации или адаптивности в технике носит очень широкий характер и имеет поэтому много толкований. К со­жалению, до сих пор нет точного общепринятого определения адаптивной системы, поэтому попытаемся пояснить смысл этого термина следующими рассуждениями.

Как известно, с помощью разомкнутого управления без об­ратной связи можно исключить влияние на выходные пара­метры объекта некоторых предсказуемых внешних возмуще­ний при условии, что характеристики отдельных компонент и элементов системы управления достаточно просты и их свой­ства не изменяются.

Ликвидировать влияние непредсказуемых внешних возмущений на поведение объекта возможно в рамках традиционной теории управления. Для этого необходимо использовать принцип обратной связи, т.е. организовать замкнутую систему управления, свойства всех элементов которой полагаются известными и не изменяющимися во времени. Иногда может допускаться дрейф некоторых характеристик, но в очень незначительных пределах. Однако на практике часто встречаются такие объекты управления, амплитудные и частотные параметры которых варьируются в широких пределах под действием внешних причин с течением времени и в силу свойств самого объекта. В несколько раз может изменяться момент инерции манипулятора в сложенном состоянии по отношению к полностью вытянутому; вязкость рабочей жидкости в полостях гидроцилиндров подводного робота, работающего на разных глубинах моря при различных глубинах и температуре воды; трение в опорах двигателей в процессе загрязнения и старения смазки и многие другие характеристики. В то же время при управлении сложными объектами – гибкими производственными модулями, линиями или участками, состоящими из многих единиц оборудования, количество внешних и внутренних факторов, оказывающих возмущающее действие на их работу, резко возрастает. Среди них могут быть ошибки позиционирования заготовок или даже их отсутствие в нужный момент, износ обрабатывающего инструмента, отклонение стыка свариваемых деталей от заданной траектории движения электрода сварочного автомата, раскачивание деталей на подвесном конвейере в процессе захвата их роботом и другие подобные факторы, требующие адаптации управляющей системы, т.е. самонастройки и приспособления к реальным условиям эксплуатации. Реакция системы управления проявляется в изменении структуры, параметров, а иногда и алгоритма действий так, чтобы гарантировать достижения поставленной цели.

Существуют общие свойства, характеризующие процесс адаптации:

- выходные параметры объекта регулирования и характеристики возмущающих факторов находятся под постоянным контролем и управлением с помощью устройств, дополнительно включаемых в состав управляющей системы;

- наблюдаемое поведение объекта описывается некоторым показателем качества, оценивающим в количественной форме характер протекания процесса управления;

- отклонение показателя качества за пределы допуска влечет за собой автоматическую настройку параметров регулятора или замену алгоритма управления, результатом которых является достижение желаемого показателя качества или реализации поставленной цели.

Описанные свойства присущи в более или менее ярко выраженной форме всем адаптивным системам управления, всегда являющимися системами с обратной связью.

Уровни адаптации

В зависимости от цели управления адаптивные системы в робототехнике можно условно разделить на следующие уровни.

Первый уровень
характеризуется способностью самонастройки параметров регулятора на основе информации о состоянии объекта, находящегося под возмущающим действием внешней среды. Оценка состояния объекта может осуществляться либо прямым измерением требуемых параметров, либо путем их идентификации. В последнем случае на объект подаются определенные пробные управляющие воздействия, фиксируется его реакция и на основании анализа поведения объекта дается оценка априорно неизвестным или изменившимся его параметрам. Характерным примером этого уровня адаптации робототехнической системы может служить регулятор, управляющий замкнутым по положению электрогидравлическим приводом манипулятора подводного аппарата. Особенность эксплуатации подводных роботов заключается в необходимости поддержания на заданном уровне статических и динамических параметров гидроприводов в широком диапазоне температур и давлений окружающей среды. Температура слоев воды может значительно отличаться, что может привести к изменению вязкости рабочей жидкости и, как следствие, к непредсказуемому дрейфу характеристик привода. Устранить это неприятное явление способна адаптивная система управления, идентифицирующая изменение характеристик и обеспечивающая соответствующую самонастройку параметров регулятора.

Для второго уровня адаптации
робототехнических систем характерно включение в состав управляющего устройства дополнительных информационных средств, обеспечивающих сбор и обработку данных о состоянии внешней среды. На основании анализа изменений внешней среды осуществляется коррекция управляющей программы робота, позволяющая в новых условиях достичь поставленной цели. Хотя на этом уровне адаптации коррекция программных действий допускается лишь в небольших пределах, эффект от применения таких адаптивных систем управления на практике значителен. Примером может служить электродуговая роботизированная сварка крупногабаритных изделий. В этом технологическом процессе трудно обеспечить постоянство пространственного расположения линии стыка свариваемых частей от изделия к изделию. Поэтому сварочный робот должен уметь корректировать программную траекторию движения электрода в соответствии с реальным положением линии стыка, измеряемым специальными датчиками.

Понятие цели управления для адаптивных робототехнических систем третьего уровня
вытекает из требования реализации максимальной производительности при обеспечении отсутствия брака. Характерны для этого уровня адаптации развитые средства для сбора информации о внешней среде, самодиагностирования, а, возможно, и саморемонта компонент управляемой производственной системы. Поясним сказанное примерами.

Одной из сложных с точки зрения автоматизации является операция абразивной зачистки литья, особенности которой заключаются в криволинейности формы отливок, отсутствии на них базовых поверхностей, которые можно было бы принять за начало отсчета для последующих точных перемещений и износ абразивного инструмента, поэтому выполнить абразивную зачистку или шлифование изделий, используя робот с программным управлением, практически невозможно. Решение этой задачи можно найти только в классе адаптивных систем, дополнив управляющее устройство робота средствами для контроля качества обработки поверхности отливки, датчиками сил резания и износа абразивного инструмента.

Система управления адаптивного модуля абразивной зачистки, анализируя степень шероховатости поверхности, может принять решение о повторном цикле обработки текущего участка детали или дать команду роботу переместить в зону шлифования следующий ее участок. Одновременно, используя информацию о силах резания и оценивая износ абразивного инструмента, адаптивная система управления может организовывать оптимальные с точки зрения производительности режимы обработки.

Другим примером адаптации робототехнической системы, при которой происходит изменение алгоритма управления, служит гибкая производственная система, например, механообработки, включающая в себя несколько единиц или десятков металлорежущих станков, объединенных автоматической транспортной складской системой. Такая система функционирует по заданной программе до тех пор, пока не произойдет какой-либо сбой. Если, например, выйдет из строя один из обрабатывающих центров, то система управления ГПС должна, оперативно оценив обстановку, принять решение о последующих действиях, разработать, возможно ценой снижения производительности, новую технологическую схему последовательной обработки изделий, выпускаемых данной гибкой производственной системой, и обеспечить функционирование станков и транспорта по новой маршрутной схеме до тех пор, пока ремонтная бригада не вернет в строй аварийный станок.

Рассмотренные уровни адаптации робототехнических систем различаются не столько количеством дополнительных устройств, обеспечивающих сбор и обработку информации об изменении параметров оборудования, внешней среды и характере их взаимодействия, сколько возможностью организовывать системы, способные функционировать во все более сложных, непредсказуемых изменениях условий эксплуатации.

Особенности адаптивных систем управления

Общие принципы организации адаптивной системы управления можно проследить на примере промышленного робота, осуществляющего съем деталей с подвесного конвейера и укладку их в тару.

Если момент прохождения деталью заданного положения известен, то задание может быть выполнено роботом, управляемым по жесткой программе. Для этого достаточно задать координаты точек позиционирования в исходном положении, положении захвата 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 успешная перегрузка деталей с конвейера в тару будет продолжаться, пока не возникнет пусть даже незначительное отклонение положения детали от заданного в программе. Причиной отклонения может быть неравномерность скорости движения конвейера или раскачивание детали. В этом случае деталь будет захвачена роботом неверно или не будет захвачена вовсе. Естественно, робот не заметит подобного сбоя и будет продолжать совершать ошибочные действия, пока не вмешается человек-оператор и не выключит его.

Сбои из-за неравномерности движения конвейера можно исключить, сохранив программный режим работы. Для этого достаточно оснастить конвейер датчиком, срабатывающим в момент прохождения крюком конвейера заданного положения захвата, установив в управляющей программе между метками 2 и 3 условный оператор, разрешающий переход на метку 3 только после получения сигнала датчика.

Однако введение в систему управления датчика положения крюка конвейера не исключает сбоев от раскачивания деталей. Кроме того, программное управление оказывается бессильным, если детали неверно подвешены на конвейере. Очевидно, что решить данную задачу под силу только адаптивной системе управления. Для этого существующий робототехнический модуль необходимо оснастить не только датчиком положения крюка, а еще и средствами для распознавания деталей и измерения координат точки для их захвата. В этом случае рассмотренный выше алгоритм действий робо

та модифицируется 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 отношению к 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 модификация исходной программы позволяют обслуживать конвейер, перемещающийся с априори неизвестной скоростью и произвольным, в определенных пределах, расположением деталей.

Структура адаптивных систем управления

Анализируя функции программной и адаптивной систем управления роботом, решающим рассматриваемую задачу, можно заметить, что они отличаются только устройствами, воспринимающими информацию о внешней среде. Эти устройства обрабатывают эту информацию и выбирают последовательность обхода уже имеющихся в программе робота точек позиционирования (рис.1).

Рис.1. Схемы управления адаптивным и программным

роботом.

Компоненты адаптивной и программной среды, отвечающие за исполнение выбранной последовательности обхода заданных точек, оказываются сходными.

Таким образом, основное свойство адаптивных систем
– реализация цели управления в условиях недетерминированной внешней среды и дрейфа параметров робота – отражается в структуре двумя новыми элементами: информационной системой, а также устройством для вычисления координат целевых точек и последовательности их обхода, использующим информацию об изменениях, произошедших во внешней среде и компонентах робота.

Функции управления адаптивным роботом выполняет вычислительное устройство, уровень сложности которого определяется уровнем адаптации робота. В простейшем случае это может быть микропроцессор или микроЭВМ, для сложных адаптивных робототехнических систем вычислительное устройство может представлять собой мультимикропроцессорную сеть.

Для современных адаптивных робототехнических систем характерно совмещение в вычислительном устройстве функции адаптации к изменениям внешней среды и параметров приводов робота с широким набором аппаратурных и программных средств самодиагностики и устранения мелких неисправностей в самой системе управления.

На рис.2 показан один из возможных вариантов структуры мультимикропроцессорного устройства, управления адаптивным роботом. Устройство включает в себя однотипные микропроцессоры (МП), объединенные общей магистралью и обменивающиеся информацией с общим оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Каждый из микропроцессоров имеет свое собственное локальное запоминающее устройство (ЛЗУ) для хранения команд и данных и устройство ввода-вывода информации (УВВ) для связи с периферийной аппаратурой, работой которой управляет данный микропроцессор. Связь между микропроцессором, его памятью и устройством ввода-вывода осуществляется с помощью локальной магистрали.

Несмотря на то, что микропроцессорные модули имеют одинаковую структуру, они выполняют различные 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 верхним уровнем управления автоматической линией или участком.

Рис.2. Структура мультимикропроцессорного устройства адаптивного управления роботом.

Особенностью данной структуры вычислительного устройства является возможность самодиагностики и саморемонта
, которая реализуется с помощью блока контроля магистрали (БКМ). Функции самодиагностики и мелкого саморемонта относятся к одним из важнейших в современных системах управления адаптивным роботам, так как их выполнение обеспечивает безаварийную работу гибкого производственного модуля даже в условиях сбоев и частичного отказа аппаратуры.

Анализируя порядок прохождения сигналов по общей магистрали и их параметры, БКМ оценивает исправность отдельных микропроцессорных модулей и приемопередатчиков, связывающих микропроцессоры с общей магистралью. Если какой-либо микропроцессорный модуль вышел из строя, то наряду с сообщением о замеченной неисправности, передаваемым оператору на верхний уровень управления, блок контроля магистрали формирует команду на отключение аварийного модуля и передачу его функций работоспособным микропроцессорам. Если же вышел из строя только приемопередатчик микропроцессора, то по команде БКМ может измениться структура связей между микропроцессорами. Например, используя резервные каналы ввода-вывода, имеющие, как правило, меньшую пропускную способность, чем общая магистраль, можно осуществлять передачу информации между микропроцессорами, соединив их по принципу «каждый с каждым».

Конечно, саморемонт адаптивной системы является временной, вынужденной мерой, так как при этом несколько снижается производительность вычислительного устройства, однако живучесть робототехнического модуля оказывается очень высокой.

Программное обеспечение систем управления адаптивных роботов

Функции программного обеспечения адаптивного робота состоят в обслуживании внешних по отношению к системе управления объектов: человека-оператора, приводов робота, информационной системы, технологического оборудования и вычислительного устройства верхнего уровня управления (рис.3).

Рис.3. Структура программного обеспечения адаптивного

робота.

Система управления взаимодействует с человеком-оператором в режиме активного диалога, в процессе которого человек выполняет следующие действия:

- формирует рабочую программу, которая может быть представлена в виде набора данных, описывающих точки позиционирования захватного устройства робота и управляющие сигналы на технологическое оборудование, или в виде набора инструкций на проблемно-ориентированном языке;

- редактирует рабочую программу с помощью программы-редактора данных или редактора текста, поскольку, как было сказано выше, программа может представлять собой либо данные, либо инструкции;

- создает объектный и загрузочный модули рабочей программы, обеспечивает удаление старых файлов, включение новых, переименование и хранение программ в библиотеке;

- отлаживает рабочую программу, т.е. при поддержке программного обеспечения осуществляет ее пошаговое исполнение, анализирует результаты отладки и при удовлетворительном качестве программы дает команду на ее исполнение;

- реализует функции контроля исправности оборудования, в частности, проверяет каналы связи с технологическим оборудованием, калибрует измерительные системы робота и выполняет другие операции диагностирования.

Основные функции программного обеспечения

По отношению к исполнительному устройству робота – манипулятору – функции программного обеспечения широки и многообразны. В зависимости от уровня интеллекта робота они могут включать: подробный анализ задания; разбиение его на подзадачи и элементарные действия; планирование движения инструмента или захватного устройства для реализации этих действий; определение последовательности точек позиционирования, обход которых позволит воспроизвести желаемую траекторию и, наконец, преобразование координат точек позиционирования инструмента в требуемые положения сочленений манипулятора и формирование команд управления приводами.

Важной с точки зрения организации взаимодействия гибких производственных модулей, составляющих линии и участки, является поддержка программным обеспечением робота информационного обмена
с верхним по отношению к нему уровнем управления.

Конечно, существуют гибкие производственные модули с адаптивными роботами, работающие полностью автономно. Однако в этом случае на плечи системы управления робота и ее программного обеспечения ложатся функции координации действий
всех компонент ГПМ. Кроме того, при появлении каких-либо неполадок или сбоев в работе невозможно послать запрос о помощи вышестоящей системе управления.

С другой стороны, если существует канал связи адаптивного робота с ЭВМ верхнего уровня и процесс обмена поддерживается с двух сторон программным обеспечением, появляется уникальная возможность создания иерархии уровней управления с четким разделением задач каждого и сопутствующей унификацией программного обеспечения и языков программирования каждого.

В этом случае ЭВМ, управляющая гибким производственным модулем, который, как правило, является верхним уровнем по отношению к роботу, берет на себя координацию действий оборудования ГПМ, устранение возможности аварийных ситуаций, например столкновения манипулятора с подвижными участками других устройств или столкновения двух манипуляторов, оперирующих в одной зоне, диагностирование оборудования ГПМ и ряд других функций, осуществляемых программным обеспечением адаптивного робота при автономной работе ГПМ под его управлением.

При обслуживании
информационных систем
функции программного обеспечения адаптивного робота зависят уже от уровня интеллекта его сенсоров. Если обработка информации о внешней среде осуществляется самой сенсорной системой, то программное обеспечение робота должно организовать лишь прием данных. В противном случае в его функции включается также обработка и выделение информации, пригодной для целей управления, а также определение адресата из числа программных модулей, ответственных за управление, которому эта сенсорная информация предназначена.

Кроме перечисленных функций программное обеспечение должно решать общесистемные задачи по обработке сигналов прерываний, по управлению вводом-выводом информации, распределению вычислительных ресурсов и т.д.

Оценивая изложенные выше основные функции программного обеспечения адаптивного робота, можно заметить их сходство с функциями универсальных операционных систем реального времени. Действительно, если сравнивать основные компоненты универсальных операционных систем и систем программирования адаптивных роботов, то прослеживается их аналогия.

Система программирования адаптивного робота:

- команды оператора;

- рабочее задание;

- проблемно-ориентированный язык программирования робота;

- обслуживание внешних устройств;

- обеспечение обмена с верхним уровнем управления.

Операционная система реального времени:

- команды монитора;

- файловая система;

- языки программирования;

- управление вводом-выводом;

- поддержка сетевого обмена.

Такая аналогия позволяет при проектировании систем программирования роботов использовать опыт, накопленный не только в области теории универсальных операционных систем, но и пользоваться самими операционными системами.

Заключение

Применение в гибких производственных системах адаптивных роботов приводит к значительному повышению качества выпускаемой продукции за счет применения новых направлений в автоматизации технологических процессов, в данном случае микропроцессорных и сенсорных технологий. Применение ЭВМ для контроля процесса и самодиагностики существенно уменьшает временные затраты на наладку и обслуживание ГПМ, сводя до минимума роль «человеческого фактора» в дефектах конкретных операций и ошибках программирования робота.

Список использованной литературы

1. Основы робототехники / Под ред. Е.П. Попова и Г.В. Письменного. М., 1990

2. Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы / Под ред. Е.П. Попова и В.В. Клюева. М., 1985

3. Управляющие системы промышленных роботов / Под ред. И.М. Макарова и В.А. Чиганова. М., 1984