Уровни управления роботами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения"

Реферат

на тему: "Уровни управления роботами"

Григорьева А.А.

г. Ивангород 2014г.

План

1. Какой механизм можно назвать роботом?

2. Манипулятор робота

3. Система управления роботами

4. Иерархическая структура систем управления роботами

5. Возможные варианты взаимосвязей между уровнями системы управления роботом

1. Какой механизм можно назвать роботом?

Как часто бывает в молодой области человеческой деятельности, в робототехнике нет еще устоявшейся, общепризнанной терминологии.

Обратимся к густонаселенному в наше время миру машин и механизмов. Немалое их число выполняет такую работу, которую еще совсем недавно человек делал сам. Не будем далеко ходить за примерами. Оглядимся вокруг. Многие из нас уже не вертят ручку домашней "мельнички" для кофе, а включают электрическую кофемолку, и она за несколько секунд измельчает кофейные зерна, т. е. делает это за нас. Так же обстоит дело с электропилой, электродрелью и т. д. Но вряд ли вы назовете все эти механизмы роботами. В чем же дело? Что отличает робота, например, от электрифицированного инструмента?

Рис. 12. Две главные части робота: 1 - исполнительный механизм ("рука") и 2 - "мозг" (управляющее "рукой" устройство).

Чтобы разобраться в главном, мы не будем углубляться в вопросы терминологического характера. Присоединимся к мнению тех, кто считает, что роботом можно назвать такое устройство, у которого имеются в совокупности две основные части: исполнительный механизм - "рука" 1 и система управления этим механизмом - "мозг" 2 робота (рис. 12). Такое представление о роботе сразу же проясняет вопрос о том, почему электроинструменты - это не роботы: у них нет, кроме простого выключателя, системы, управляющей исполнительным механизмом (пилой, сверлом и пр.).

Рис. 13. Конструкция промышленного робота, компактно объединяющая его "руку" и "мозг"

Рис. 14. Механическая "рука" робота - манипулятор; 1 - захват (рабочее звено).

Выглядит промышленный робот, например, так, как изображенный на рисунке 13: у этого робота хорошо видна "рука" 1, а "мозг" спрятан в корпусе 2.

Самая сложная часть в конструкции робота - это, как и в организме человека,- "мозг". Поэтому начнем знакомство с роботом с более простой его части - исполнительного механизма.

2. Манипулятор робота

Исполнительный механизм робота - это его механическая рука или, как ее еще называют, манипулятор. Манипулятор состоит из шарнирно соединенных звеньев (рис. 14), как рука человека из костей, связанных суставами. Последнее (рабочее) звено / манипулятора, называемое схватом, является аналогом кисти человеческой руки. Число звеньев у манипулятора бывает обычно в пределах от двух (как на рис. 15) до шести (рис. 16) в зависимости от назначения и области применения робота. Звенья подвижны относительно друг друга и могут совершать вращательные или поступательные движения (рис. 17,6, в, г, д, е)\ в отличие от человеческой руки они могут еще и удлиняться

Рис. 15. Схема двухзвенного манипулятора.

Рис. 16. Схема манипулятора, состоящего из шести звеньев.

Благодаря этому схват может двигаться по любой, самой причудливой траектории (рис. 18).

Схват, как видно из его названия, служит для удержания и переноса предметов. Он может быть самой разнообразной конструкции: похожим на клешню краба (рис. 19) или на кулачковый патрон, как у дрели, в виде мягких резиновых пальцев (рис. 20), в которые подается воздух, чтобы они приняли нужную форму (эта конструкция схвата применяется для работы с хрупкими предметами: электролампами, радиоэлементами), а может иметь и другой, удобный. Для конкретного дела вид (рис. 21).

Число пальцев тоже может быть разным. Самые простые - двухпальцевые схваты похожи на обычные плоскогубцы (рис. 22); более экзотический вид имеют многопальцевые схваты, например, изображенные на рисунке 20 или 23. Принцип захвата нужного предмета может быть не только механическим (зажим - разжим), но и электромагнитным, если предмет из ферромагнитного материала (рис. 24, слева); схват может действовать и как вакуумные присоски (рис. 24, справа) или клейкая лента и т. д.

Иногда последним звеном манипулятора служит не схват, а в зависимости от предназначения робота соответствующий рабочий инструмент: дрель (рис. 25), гаечный ключ, краскораспылитель, сварочная горелка и др. Робот с таким манипулятором может быть сварщиком, маляром и т. д. Число, форма и способы соединения звеньев манипулятора обусловливают большое разнообразие их внешнего вида (рис. 26).

Наиболее распространен однорукий робот (имеющий один манипулятор). Он может выполнять только одну операцию, да и то не слишком быстро.

Рис. 17. Возможные движения манипулятора (показаны стрелками): а - удлинение (или укорочение) рабочего звена; б, г, д, е - вращение звеньев; в - поступательное перемещение.

Для повышения производительности робота его иногда снабжают двумя (рис. 27), тремя и даже четырьмя одинаковыми манипуляторами, а для расширения его функций - разными манипуляторами. Например, промышленные роботы, обслуживающие прессы холодной штамповки, имеют по два разных манипулятора: один (основной) предназначен для захвата заготовки и установки ее под пресс, а другой (упрощенной конструкции) - для сталкивания готовой детали в бункер.

Рис. 18. Совместные перемещения звеньев позволяют схвату описывать в пространстве (ограниченном размерами и конструкцией манипулятора) траекторию практически любой формы.

Рис. 19. Схват клешнеобразной формы.

Рис. 20. Надувной схват с пятью гибкими резиновыми пальцами.

Рис. 21. Схваты, предназначенные для переноса труб (слева) и барабанов с кабелем (справа).

Рис. 22. Двухпальцевый схват

Рис. 23. Трехпальцевый схват со сложной формой пальцев.

Рис. 24. Немеханические схваты: магнитный (слева), с присосками (справа).

Рис. 25. Робот-сверловщик: его рабочим звеном служит дрель - она заменяет схват.

Рис. 26. Разнообразные конструкции манипуляторов, обусловленные особенностями их применения.

Рис. 27. "Двурукий" робот.

Рис. 28. Условная схема действия приводов 1 - "мускулов руки" робота: за счет энергии источника 2 они приводят в движение звенья манипулятора 3 в различных их соединениях ("суставах").

Перемещение звеньев манипулятора обеспечивают так называемые приводы - аналоги мускулов в руке человека. Приводы являются источниками механической энергии, нужной для движения "звеньев (рис. 28). Если источником механической энергии служит электродвигатель, то привод называют электрическим, если таким источником является гидро- или пневмоцилиндр, то привод называют гидравлическим или пневматическим.

В электропривод, кроме электродвигателя, входят еще редуктор, который снижает число оборотов электродвигателя и увеличивает усилие, действующее на манипулятор, и электронная схема управления, которая регулирует скорость вращения электродвигателя. Этот способ приведения в действие манипулятора обладает рядом достоинств: не загрязняет окружающую среду отработанным газом или маслом, относительно малошумен; к тому же современные полупроводниковые схемы управления дешевы и надежны в работе. Все эти качества делают электропривод наиболее перспективным как в настоящем, так и в будущем.

В гидравлическом приводе используется гидроцилиндр. На рисунке 29, а показана схема такого привода, сообщающего руке робота возвратно-поступательное движение. Принцип его действия следующий. В цилиндр 1, в котором находится поршень 2, соединенный с помощью штока с манипулятором 3, поступает под давлением жидкость (отсюда название - гидроцилиндр); она-то и заставляет передвигаться поршень, а вместе с ним руку робота. Направление этого движения определяется тем, в какую часть цилиндра (в пространство над поршнем или под ним) нагнетается в данный момент жидкость.

Гидроцилиндр может сообщать манипулятору и вращательное движение. Обратите внимание на то, как соединен шток гидроцилиндра со звеном руки робота на рисунке 29,6. В этом случае возвратно-поступательное перемещение штока вызовет поворот соединенного с ним звена относительно предыдущего в ту или другую сторону.

Гидравлический привод имеет свои преимущества. Прежде всего это сравнительно небольшая масса привода, приходящаяся на единицу его мощности, малая инерционность, высокое быстродействие. Важное свойство гидропривода - возможность получения с его помощью малой скорости движения без редуктора и при сохранении плавности перемещения. Благодаря этим качествам гидропривод получил широкое распространение в мощных промышленных и других роботах.

Пневматический привод аналогичен гидравлическому; в нем роль двигателя выполняет пневмоцилиндр, т. е. цилиндр, в котором поршень перемещается под действием сжатого воздуха. Особенностью пневмопривода является то, что используемое в нем рабочее вещество - воздух - легко сжимается, тогда как в гидроцилиндре жидкость практически несжимаема. Вследствие этого пневмопривод целесообразен лишь для роботов, производящих операции с мелкими и легкими деталями, например, в технологических процессах приборостроения, часовой промышленности и пр. Другая причина, сдерживающая применение роботов с пневмоприводом в цехах заводов,- шум, которым сопровождается выброс из пневмоцилиндра отработавшего воздуха. Поэтому в помещениях, где работают люди, нужна специальная дорогостоящая акустическая защита.

Итак, привод, являясь мускулом манипулятора, приводящим его в движение, во многом определяет, каков снабженный этим приводом робот: насколько он силен (какова его грузоподъемность), ловок (как точно он может выполнить заданное действие), быстр (сколько ему надо на это времени) и др., т. е. определяет, несомненно, очень важные характеристики робота.

Рис. 29. Гидроцилиндр, сообщающий руке робота: а - поступательное, б- вращательное движение.

Поэтому изучение и конструирование приводов выделено в самостоятельную науку: в институтах и конструкторских бюро разработкой приводов занимаются в специализированных лабораториях и отделах инженеры-приводники. Они стремятся в наибольшей степени уменьшить размеры (или, как говорят в технике, габариты) и массу привода, повысить его быстродействие, улучшить обеспечиваемую им точность позиционирования (точность попадания рабочего звена манипулятора в нужное место), увеличить надежность и удобство эксплуатации, снизить стоимость. робот манипулятор клешнеобразный

На этом пути они добились уже немалых успехов, например, достигнута такая точность позиционирования, при которой погрешность подведения манипулятора к заданному месту составляет всего единицы микрометров, а быстродействие манипулятора (от которого в первую очередь зависит производительность труда робота), измеряемое скоростью его перемещения, может превышать несколько метров в секунду.

Тем не менее, здесь имеется широчайшее поле деятельности. И не только в плане совершенствования уже применяющихся конструкций и улучшения их характеристик, но и в области разработки новых. Дело в том, что становление робототехники совершенно естественно началось с применения наиболее простых и дешевых средств приведения манипуляторов в действие- с использования пневматического привода. По мере того как роботы осваивали разнообразные трудовые операции, требовались такие приводы, которые обеспечивали бы эффективность их работы в новых условиях. В связи с этим стало расширяться применение и гидравлических, и электрических приводов. К настоящему времени около 40% роботов имеют пневматический привод, примерно столько же - гидравлический, и только 20%-электрический, хотя последний хорошо управляем, удобен в эксплуатации, имеет относительно высокий КПД. Причина сложившегося положения в том, что электропривод по сравнению с другими имеет худшие массогабаритные характеристики, т. е. он более тяжел и громоздок, если обеспечивает такую же, как они, грузоподъемность и скорость перемещения манипулятора. Однако ценные качества электропривода, особенно экологичность, побуждают искать возможности его более широкого применения. Заманчивые перспективы в этом отношении открывает прогресс в создании компактных электродвигателей специально для роботов.

Что же касается тех роботов, которыми уже оснащены промышленные предприятия, то их обслуживание техниками-эксплуатационниками состоит прежде всего в контроле за техническим состоянием и исправностью именно приводов манипуляторов.

3. Система управления роботами

Перейдем теперь к рассмотрению другой составной части робота - системы управления, которая и отличает его от простого средства механизации (например, от электрифицированного инструмента).

Электроника управления гусеничным роботом

Надо сразу сказать, что в зависимости от степени разумности робота его система управления включает разные устройства. Однако во всех случаях можно выделить два главных: во-первых, устройство, вырабатывающее сигнал, который, поступая на приводы манипулятора, приводит последний в действие (именно это устройство и есть мозг робота); во-вторых, устройство, связывающее робот с внешним миром (его называют системой очувствления, или сенсорной' системой). Роль сенсорной (чувствующей) системы заключается в том, чтобы получить и передать мозгу информацию о положении робота в пространстве, состоянии его манипулятора, объекта манипулирования и окружающей среды. Значение этой системы трудно переоценить, поскольку она является аналогом систем осязания, зрения, слуха и других ощущений человека. Органами чувств в ней служат разнообразные датчики (о них мы расскажем несколько позднее).

По мере развития и совершенствования робототехники системы управления менялись с фантастической быстротой: от примитивных выключателей, реле и кулачковых механизмов до новейших ЭВМ, позволяющих реализовать элементы искусственного интеллекта. В настоящее время мозг робота, обрабатывающий получаемую от сенсорных элементов (датчиков) информацию и дающий в соответствии с ней команды манипуляторам,- это ЭВМ или микропроцессор. Однако система управления современного робота имеет не однолинейную структуру ЭВМ - манипулятор, а сложную, что и позволяет ему решать весьма непростые задачи.

4. Иерархическая структура систем управления роботами

Отвлекаясь от конкретного построения систем управления, можно охарактеризовать их структуру с помощью четырехступенчатой иерархической лестницы (рис. 32). Она дает нам представление о том, какие именно задачи может решать робот, если у него будет система управления, состоящая из всех ступенек этой лестницы. Подъем на любую следующую ступеньку (или, как говорят, на более высокий уровень иерархии 1 системы) позволяет роботу стать интеллектуальнее, т. е. выполнять более сложные операции. Какие же?

Чтобы ответить на этот вопрос по возможности полнее, начнем не подъем по иерархической лестнице, а спуск, предположив, что вначале мы находимся на самом верху. Это будет означать, что система управления робота, которая соответствует наивысшей ступеньке - уровню искусственного интеллекта, довольно совершенна. Обладающий ею робот очень умен, так как эта система занимается распознаванием окружающей обстановки и, анализируя сигналы, поступающие от сенсорной системы, принимает в соответствии с полученным ею заданием решение о выполнении той или иной операции. Этот уровень предполагает техническую реализацию (с помощью центральной вычислительной машины -ЦВМ) элементов искусственного интеллекта; он обеспечивает создание модели внешней среды и учет предыдущего опыта действий робота, т. е. возможность его самообучения.

Для этого, кроме информации о внешней среде, поступающей от сенсорной системы, в систему управления роботом должна передаваться также информация от всех других систем, обеспечивающих более низкие уровни управления и входящих в качестве составных элементов в эту систему управления. Решение о выполнении определенной операции выдается в виде команд, которые с высшего уровня системы управления передаются на нижние, подчиненные ей.

Так, стратегический уровень (см. рис. 32) иерархии системы управления роботом, получив команду от высшего уровня, расчленяет ее на такие элементарные задания, которые были бы понятны нижним уровням системы управления. Элементарными командами, выдаваемыми со стратегического уровня на нижние, могут быть такие: взять из магазина гайку такого-то диаметра, отыскать на изделии шпильку с такими-то координатами и навернуть гайку на шпильку.

Рис. 32. Иерархическая лестница уровней (возможностей) системы управления робота.

Возможно деление на еще более мелкие операции, скажем: подвести схват манипулятора к детали по такой-то траектории и остановить его в определенной точке, выяснить, будет ли гайка, находящаяся перед схватом, гайкой нужного диаметра, и если да, то перенести ее в зону сборки. Степень подробности такого рода команд задается алгоритмом работы вычислительной машины, обслуживающей стратегический уровень управления, и зависит от понятливости следующего уровня - тактического.

Тактический уровень системы управления, который может иметь собственную ЭВМ или так называемый спецвычислитель, или программное устройство, обеспечивает расчет на основе элементарной команды, поступившей от стратегического уровня, траектории, параметров движения (скоростей и ускорений) манипулятора и формирование сигналов для каждого привода. Не следует думать, что этот уровень системы управления осуществляет простые операции: даже когда вычислена траектория и параметры движения манипулятора, реализующие необходимую рабочую операцию, задача пересчета этой траектории в управляющие сигналы не проста. Ведь манипулятор представляет собой сложную динамическую систему: во-первых, его звенья не абсолютно жесткие, а, во-вторых, даже если пренебречь этим, то следует учесть их сильное взаимовлияние при движении. Оно проявляется в том, что каждое звено манипулятора находится как бы на подвижном основании, так как крепится к предыдущему звену, совершающему самостоятельное движение. В свою очередь это предыдущее звено крепится тоже к подвижному звену, и так вплоть до стойки манипулятора или станины робота. Таким образом, схват действует, находясь на своего рода подвижном основании, которое само установлено на подвижном основании, и т. д. Но хорошо известно, как тяжело вести работы, например, на палубе корабля во время качки: при подвижном основании трудно правильно соразмерять движения. (Заметим для сведения читателя, что вопросами динамики манипуляторов и иных сложных систем занимается специальная наука - теоретическая механика, для изучения которой нужно в первую очередь отлично владеть математикой и физикой (механикой).

Последний, самый нижний уровень системы управления - исполнительный. Этот уровень ответствен за управление движением звеньев манипулятора непосредственно по каждой степени подвижности (реализуется он обычно на микропроцессоре). Поясним, что под степенью подвижности звена подразумевается возможность его перемещения в каком-либо одном направлении. Следовательно, исполнительный уровень управляет непосредственно приводами манипулятора и решает весьма важные задачи: как обеспечить требующуюся точность движения для каждой степени подвижности манипулятора, учитывая упругость звеньев, трение, люфт в передачах и другие помехи движению, для нейтрализации которых вводятся специальные корректирующие устройства; причем сделать это надо при минимальном потреблении энергии, что очень существенно для роботов с автономным источником питания, например выполняющих ремонтные работы в космосе.

Итак, каждый уровень иерархии системы управления робота решает свои предельно четкие и важные задачи. Уровни сообщаются между собой: снизу вверх идут информация и запросы на выполнение команд, а сверху вниз - решения в форме сигналов-команд, которые, постепенно детализируясь, доходят до каждого привода, сообщающего отдельному звену манипулятора движение конкретного вида (прямолинейное равномерное, или прямолинейное, но ускоренное, или поворот в определенную сторону и т. д.).

Здесь следует отметить, что деление системы управления (СУ) робота на уровни иерархии весьма условно. Вызвано оно потребностью скорее научной, чем практической: с помощью уровней иерархии легче описывать систему и анализировать ее работу. На практике же (в конструкции робота) все уровни управления реализуются как единое целое с помощью ЭВМ. Успехи современной вычислительной техники позволяют управлять даже самыми сложными роботами с помощью одной мини-ЭВМ или нескольких микро-ЭВМ, или микропроцессорной вычислительной системы. Таким образом, возможна система управления роботом, в которой каждому уровню иерархии соответствуют микропроцессоры или микро-ЭВМ, получающие команды от центральной вычислительной машины, а возможна и такая СУ, которая работает на одной мини-ЭВМ, обеспеченной пакетом программ для реализации всех необходимых уровней.

5. Возможные варианты взаимосвязей между уровнями системы управления роботом

Более наглядное представление о взаимодействии уровней, системы управления робота, о содержании решаемых каждым из них задач и о тех технических (аппаратных) средствах, с помощью которых эти решения осуществляются, может дать таблица.

Иерархическая структура системы управления робота.

Не следует думать, однако, что именно так (со всеми уровнями) построена система управления каждого робота. Возможны такие конструкторские решения, когда в СУ некоторых роботов отдельные уровни отсутствуют, а другие взаимодействуют как бы в обход соседних: скажем, стратегический уровень выдает команды непосредственно на приводы, т. е. на исполнительный уровень; информация от сенсорной системы поступает не только на высший уровень, но и на промежуточные. Но совершенно очевидно, что при использовании промышленных роботов с любым вариантом построения СУ источником команд для исполнения роботом тех или иных рабочих операций будет всегда человек-оператор.

Схема управления роботами, схема 1

Высший уровень иерархии обязательно присутствует в СУ наиболее сложных роботов третьего поколения, обладающих элементами искусственного интеллекта. На схеме 1 изображена общая структура таких роботов. Это своеобразный их скелет, в котором соединены все принципиально важные для функционирования робота элементы. Схема 2 показывает, как могут быть обойдены некоторые из промежуточных уровней СУ робота.

Схема управления роботами, схема 2

Для многих современных роботов главным и обязательным является стратегический уровень СУ-на него поступают команды от человека-оператора. Но этого уровня, реализующего адаптивное 1 управление, может и не быть в системе управления: если высший уровень выдает достаточно детализированные команды, понятные для тактического уровня, то надобность в стратегическом уровне отпадает. Точно так же в системе управления адаптивного робота может не быть тактического уровня, если стратегический сам производит расчет сигналов для конкретных приводов (по степеням подвижности звеньев манипулятора).

В заключение обзора систем управления робота отметим следующую важную тенденцию. Поскольку вычислительная техника развивается в наши дни чрезвычайно высокими темпами и в настоящее время микро-ЭВМ вполне справляется с задачей управления адаптивным роботом, а мини-ЭВМ (или несколько микро-ЭВМ) может управлять даже роботом с элементами искусственного интеллекта, происходит стирание четких граней между уровнями иерархии. Все уровни управления, за исключением исполнительного (для которого удобен микропроцессор, устанавливаемый непосредственно в приводе манипулятора), реализуются с помощью одной ЭВМ. Поэтому фактически эти уровни различаются только программным обеспечением: для каждого из них составляется своя программа, которая вводится в общую (центральную) ЭВМ.

Размещено на Allbest.ru