Робототехнические системы с элементами искусственного интеллекта

     Интеллектуальная  робототехническая система включает объект управления совместно со средой, в которой она работает. Объект управления представляет непосредственно  механизмы перемещения инструмента  и изделия. В состав манипуляторов  входят исполнительные двигатели, которые осуществляют их перемещение по заданным законам R_Д и R_И. Информация о положении выходных звеньев манипуляторов определяется датчиками, расположенными в шарнирах звеньев манипуляторов, которые получают информации о выходных координатах механизмов перемещения, их скоростях, ускорениях и силах. Основная функция системы управления манипуляторами состоит в формировании законов перемещения исполнительными механизмами манипуляторов в реальном времени U_И(t) и U_Д(t). Данные системы обычно работают в следящем режиме, обеспечивающем выполнение каждой степенью подвижности манипуляторов заданной траектории перемещения с требуемыми точностью, скоростью и усилием. Выходными координатами манипуляторов являются R_Д и R_И. В результате взаимодействия инструмента с деталью создается усилие P(t), которое воздействует на исполнительные органы манипуляторов. Применительно к рассматриваемой системе в качестве объекта управления и внешней среды следует рассматривать манипуляторы перемещения изделия, инструмента и непосредственно сам технологический процесс. 

      
Рис.1.  Структура робототехнической системы

     Общим информационным управляющим каналом  на систему управления низшего уровня является канал передачи управляющих  сигналов U(t) и обратной связью от системы низшего уровня - сигнал R(t). Управляющее воздействие U(t) представляет выбранную программу действия из некоторого множества и соответствующую заданной детали, либо обработке заданной поверхности детали. Какую из программ следует выбрать, решается системой высшего уровня как на основе информации от системы распознавания поверхности, так и на основе указаний оператора, управляющего робототехнической системой. Выбранная программа U(t) задается непрерывно в реальном масштабе времени.

     Обратная  связь R(t) может нести полную информацию о работе системы управления низшего уровня в виде логических сигналов о ее состоянии, непрерывную информацию о геометрических размерах, качестве обработки поверхности детали и информацию о состоянии внешней среды, например, о температуре окружающей среды или двигателей, о состоянии сопутствующих обработке других устройств.

      
Рис.2.  Система управления робота-станка.

     Представленная  на рисунке 1 система является обобщенной для технологических машин широкого назначения. Более детальное представление данной системы рассмотрим на примере системы управления робота-станка (рис.2). Отличительной особенностью рассматриваемой следящей системы управления от существующих станочных систем является наличие главной обратной связи по результату обработки поверхности (вычисление ^ДA_i^*(t) ). Вычисление ^ДA_i^*(t) осуществляется в системе координат детали решением прямой задачи о положении F(q_инф.) по информации датчиков, располагаемых в сочленениях звеньев механизма. Погрешность вычисляется сравнением программного значения управляющего воздействия ^ДA_i(t) и вычисленного реального его значения ^ДA_i^*(t). Обратный Якобиан J^-1 и устройство K выполняют функции преобразования и решения линейной задачи вычисления приращений обобщенных координат q_i. Суммируя приращения на каждом шаге вычисления с предыдущим значением, формируется управляющее воздействие на исполнительные приводы q_i.

     В качестве электродвигателей приводов манипуляторов применяются безредукторные и высокомоментные электродвигатели. Это требует применения методики синтеза приводов с учетом переменности моментов инерции, а для многостепенной механической системы требуется также учитывать взаимовлияние приводов по степеням подвижности.

     Подсистема  управления высшего  уровня выполняет следующие функции. Получая информацию от оптической системы о состоянии обрабатываемой поверхности и ее геометрических размерах, данная подсистема выбирает требуемую программу обработки из некоторого детерминированного множества программ либо при ее отсутствии на основе анализа принимает наиболее близкую по критерию точности воспроизведения требуемой поверхности.

     Оптические  средства контроля геометрических размеров припуска и качества обработки (шероховатости) поверхности детали позволяют оптимизировать режимы резания. В работе приведено  описание оптической системы, построенной  с применением специальной решетки и источника монохроматического света. В настоящем курсе лекций дается описание данной системы, рассматриваются вопросы построения системы распознавания зон с заданным качеством обработки и формирования на этой основе новой программы обработки поверхности.

     Формирование  программной траектории перемещения  инструмента относительно обрабатываемой поверхности ^ДА_i(t), производится на основе информации, полученной от оптической системы контроля поверхности и экспертной оценки при выборе режимов обработки. Информация о геометрических размерах полученной после обработки поверхности контролируется оптической системой контроля. Эта система формирует также данные о качестве обрабатываемой поверхности. В зависимости от этой информации выбирается ограниченная область обработки поверхности.

     Математическая  модель объекта управления совместно  с окружающей средой, формируемая  в системе высшего уровня на основе информации, получаемой от датчиков, включает: чертеж детали с реальными геометрическими  размерами, чертеж требуемой идеальной детали и набор параметров, определяющих режимы обработки. Указанная модель позволяет, проигрывая различные ситуации, представляющие набор процедур для выполнения обработки, выбирать цель и формировать программу обработки U(t).

Пример  робота-станка 

     Пример  робота-станка, построенного на механизмах параллельной структуры и оснащенного  интеллектуальной системой обработки  информации и управления, показан  на рисунке  3. Исполнительный механизм робота-станка включает манипулятор перемещения изделия, представляющий пятизвенник, состоящий из звеньев 10, 11, 12, 13 и основания, манипулятор перемещения инструмента, который представляет собой два звена, управляемых двигателями 1 и 4 с вертикальной осью вращения. Манипулятор перемещения изделия осуществляет управляемое перемещение по четырем координатам с помощью четырех исполнительных приводов 2, 3, 8 и 14. Обработка выполняется путем взаимного перемещения инструмента 6 относительно изделия 9. Для стабилизации и удержания веса манипулятора перемещения изделия применено пневматическое устройство 16. Бабка для вращения изделия 15 и бабка для инструмента 5 содержат исполнительные приводы для вращения инструмента 7 и изделия 8. В целом механизм относительного перемещения робота-станка позволяет выполнять взаимное перемещение инструмента и изделия по шести координатам.

      
Рис.3.  Робот-станок

     В механизмах параллельной структуры  имеются кинематические пары, которые  выполняют функции преобразования движения и не содержат исполнительных силовых элементов (пятизвенник в манипуляторе перемещения изделия). В сочленениях данных пар возможна установка дополнительных датчиков, позволяющих повысить точность контроля положения выходного звена. Кроме того, установка в этих сочленениях дополнительных приводов, управляемых, к примеру, по силе, разгружает основные приводы, выполняющие перемещения по заданным координатам, и позволяет по одной и той же координате управлять положением, скоростью и силой.

     Пример  кинематической схемы робота-станка приведен для лучшего понимания  работы реальной интеллектуальной робототехнической  системы, чтобы показать место установки  датчиков и дополнительных приводов в механизме.

     В рассматриваемом курсе лекций мы не рассматриваем вопросы работы мехатронных элементов в составе интеллектуальной робототехнической системы. Безусловно, аппаратная часть системы управления робота-станка содержит мехатронные элементы. Это непосредственно оптическая система, которая включает механические элементы преобразования оптического изображения и цифровую систему обработки изображения. Встраиваемые исполнительные приводы совместно с датчиками положения также представляют мехатронные системы восприятия и преобразования информации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение.

     Первыми помощниками человека были механизмы, позволяющие увеличить его силу и скорость перемещения. Даже первые счетные машины строились на механическом принципе. Однако впервые слово «робот»  было введено Карелом Чапеком  в 1920 г. в фантастической пьесе «РУР» («Рассумские универсальные роботы»). Областью применения роботов стали области деятельности человека, опасные для его жизнедеятельности. Как правило, это были дистанционно управляемые манипуляторы для работы в атомных реакторах, в подводных аппаратах и космических кораблях. В 1947 году в Арагонской национальной лаборатории были впервые разработаны механические руки для работы с радиоактивными материалами. Уже в 1948 году данные роботы были оснащены системой отражения усилия, чтобы оператор имел возможность ощущать усилие, развиваемое исполнительным органом. Первые луноходы и марсоходы были оснащены манипуляторами для сбора грунта. Управление данными манипуляторами осуществлялось с земли по командам оператора. В 1963 году уже была исследована проблема распознавания многогранных объектов, а в 1968 году уже были созданы программные устройства, позволяющие с применением телевизионной камеры находить предметы, которые должен был взять робот своим захватным устройством.

     Таким образом, теоретические основы современной  робототехники были заложены еще  в 60-е годы, но их реализация сдерживалась отсутствием соответствующих технологий, материалов, ресурсов вычислительных систем. В это же время писатель-фантаст  Айзек Азимов придумывает слово «роботикс» (робототехника) и впервые формулирует три закона робототехники:

1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.
2. Робот должен подчинятся командам человека, если эти команды не противоречат первому закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности, пока это не противоречит первому и второму законам.

     Эти три закона Айзека Азимова до сегодняшнего дня остаются стандартами при  проектировании и разработке роботов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  использованной литературы 

1. Поздняк, Г. Е. Интегральные роботы: сборник статей// пер. с англ. и япон. под ред. Поздняка Г. Е [текст] -  М.: Мир, 2010, 76 с
2. Люгер, Д. Искусственный интеллект// Д. Люгер [текст] - М.: Мир, 2003. 690 с.
3. Гаврилова, Т. А., Хорошевский, В. Ф. Базы знаний интеллектуальных систем// Т.А. Гаврилова,  В. Ф. Хорошевский [текст] - СПб: Питер, 2001. 384 с.
4. Роботы и робототехника [Электронный ресурс]/ Режим доступа http://www.prorobot.ru.
5. Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта// Н. Нильсон [текст] – М.:Мир, 2010. 374 с.
6. Макаров И. М., Топчиев Ю. И. Робототехника. История и перспективы// И.М. Макаров, Ю.И. Топчиев [текст] - М.: Наука, МАИ, 2010. 350 с.