Основы робототехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Робот -- это технический комплекс, предназначенный для выполнения различных движений и некоторых интеллектуальных функций человека и обладающий необходимыми для этого исполнительными устройствами, управляющими и информационными системами, а также средствами решения вычислительно-логических задач.

Роботы производятся в напольном, подвесном и портальном исполнениях. Небольшие роботы могут быть настольными или же устанавливаемыми на объекте оборудования непосредственно, например, на станине токарного станка. Для обслуживания двух или нескольких станков робот может автоматически перемещаться по задаваемой программе.

Корни робототехники уходят в глубокую древность. Уже тогда впервые возникли идеи и были предприняты первые попытки создания человекоподобных технических устройств, подвижных культовых статуй, механических слуг и т. п. Статуи богов с подвижными частями тела (руки, голова) появились еще в Древнем Египте, Вавилоне, Китае.

В средние века большой популярностью пользовались различного рода автоматы, основанные на использовании часовых механизмов. Были созданы всевозможные часы с движущимися фигурами людей, ангелов и т. п. К этому периоду относятся сведения о создании первых подвижных человекоподобных механических фигур -- андроидов. Из отечественных устройств подобного типа назовем знаменитые часы «яичной» формы с театральным автоматом И. П. Кулибина.

Идеи создания «механических» людей, начавшие было затухать вместе с ослаблением роли часового дела в дальнейшем развитии техники, вновь возродились в 20 в. на основе электроники и электротехники. Американский инженер Венсли построил управляемый на расстоянии с помощью свистка автомат «Телевокс», который мог не только выполнять ряд элементарных операций, но и произносить с помощью звукозаписывающей аппаратуры несколько фраз. в 1937 г. на Всемирной выставке в Париже демонстрировался радиоуправляемый подвижный робот, созданный советским восьмиклассником В.Машкевичем. К этому времени уже окончательно «прижился» термин «робот», а идеи робототехники все более энергично использовались в научно-фантастической литературе.

Предмет робототехники -- это создание и применение роботов и других средств робототехники различного назначения. Возникнув на основе кибернетики и механики, робототехника в свою очередь породила новые направления развития и самих этих наук. Для кибернетики это связано, прежде всего, с интеллектуальным управлением, которое требуется для роботов, а длямеханики с - многозвенными механизмами типа манипуляторов. Робот -- это технический комплекс, предназначенный для выполнения различных движений и некоторых интеллектуальных функций человека и обладающий необходимыми для этого исполнительными устройствами, управляющими и информационными системами, а также средствами решения вычислительно-логических задач. При решении проблемы создания роботов одним из естественных путей является копирование человека и живой природы вообще. Однако не менее важен и поиск принципиально новых путей, определяемых возможностями современной техники.

Пример первого подхода -- создание механических рук шарнирного типа и захватных устройств со сгибающимися пальцами. Примеры второго подхода -- использование электромагнитного поля для ориентации и взятия предметов и, наконец, колесный ход вместо шагания. Аналогичные примеры можно найти и применительно к сенсорным системам (создание «сверхчувственных» органов наряду с копированием органов чувств животных). От ранее известных видов машин роботы принципиально отличаются своей универсальностью (многофункциональностью) и гибкостью (быстрым переходом на новые операции). Под универсальностью понимается универсальность рабочих органов робота и их движений, хотя сегодня до универсальности руки человека роботам еще далеко. (Правда, это компенсируется возможностью быстрой смены рабочих органов робота в процессе выполнения операций). Объективной причиной возникновения и развития робототехники явилась историческая потребность современного производства в гибкой автоматизации с устранением человека из непосредственного участия в машинном производстве и недостаточность для этой цели традиционных средств автоматизации. Поэтому задачей робототехники наряду с созданием собственно средств робототехники является разработка основанных на них систем и комплексов различного назначения. Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными.

Роботизированные системы, в которых роботы выполняют основные технологические операции, называются робототехническими. Наряду с внедрением в действующие производства роботы открывают широкие перспективы для создания принципиально новых технологических процессов, не связанных с весьма обременительными ограничениями, налагаемыми непосредственным участием в них человека. При этом имеется в виду как действительно очень ограниченные физические возможности человека (по грузоподъемности, быстродействию, точности, повторяемости и т. п.), так и требуемая для него комфортность условий труда (качество атмосферы, отсутствие вредных внешних воздействий и т. п.). Сегодня необходимость непосредственного участия человека в технологическом процессе зачастую является серьезным препятствием для интенсификации производства и создания новых технологий.

1.Компоненты

Основными компонентами робота являются манипуляционный механизм и автоматическая система управления, содержащая как правило, микро ЭВМ или комплекс микропроцессоров, а в ряде случаев и сенсорные устройства (средства очувствления). Манипулятор робота состоит из звеньев, соединенных подвижными кинематическими парами (вращательными и поступательными). Последние движется по определенной программе с помощью управляемых приводов.

Промышленные роботы служат для выполнения в производственных процессах двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека.

Устройство управления робота осуществляет автоматическое управление его исполнительными системами - манипуляционными и передвижения, образуя в совокупности с ними как объектами управления систему автоматического управления робота. Кроме того, часто устройство управления роботов используют и для управления различными другими объектами (технологическим оборудованием, транспортными устройствами и т. п.), которые работают совместно с роботом, образуя с ним единый технологический комплекс. По способу управления различают следующие управления роботов и соответствующие устройства управления:

программные, в которых управление осуществляется по заранее составленной и остающейся неизменной в процессе реализации управляющей программы;

адаптивные, в которых управление осуществляется в функции от информации о текущем состоянии внешней среды и самого робота, получаемой в процессе управления от сенсорных устройств;

интеллектуальные, в которых адаптивные свойства развиты до уровня интеллектуальной деятельности.

Устройства управления могут быть индивидуальными, входящими в состав каждого робота, и групповыми, управляющими несколькими роботами. Конструктивно индивидуальные устройства управления выполняют обычно отдельно от механической части робота, либо, значительно реже, в общем корпусе.

Подавляющее большинство роботов имеет электронные устройства управления, выполненные на микропроцессорной базе. Однако существуют и неэлектрические устройства управления роботов, чаще всего реализуемые на пневмонике и предназначенные для применения в особых взрыво- и жароопасных условиях.

Управление роботами осуществляет его устройство управления. В совокупности с сенсорной и исполнительными системами оно образует систему автоматического управления робота. Кроме того, через устройство управления роботом может управлять человек-оператор. Согласно данной ранее классификации в роботах применяются три способа управления - программное, адаптивное и интеллектуальное. Практически только программное управление нашло применение в чистом виде, да и то часто и к нему добавляют элементы адаптации. В целом же все эти три способа управления применяются комплексно. Адаптивное управление обычно строится на базе программного как следующий уровень управления. Интеллектуальное управление в свою очередь реализуется как надстройка над первыми двумя уровнями. Названия систем управления конкретных роботов обычно определяется основным использованным в ней способом управления.

По степени участия человека-оператора в процессе управления

различают системы

- автоматического,

- автоматизированного

- ручного управления.

По типу движения исполнительных систем существуют системы

управления

- непрерывные (контурные),

- дискретные позиционные (шагами «от точки к точке») и

- дискретные цикловые (по упорам, как правило, с одним шагом по

каждой координате).

По управляемым переменным различают системы управления

- положением (позицией),

- скоростью,

- силой (моментом).

Часто эти способы управления применяют в комбинации либо разные способы по разным координатам, либо с последовательным переходом от одного к другому, либо, наконец, в виде функциональной зависимости управляемой переменной от другой (например, управление по силе, величина которой задается как функция от положения).

Первое поколение роботов представляет собой с программным устройством управления. Такой робот выполняет совокупность жестко запрограммированных операций. Для этого среда, в которой он действует, должна быть заранее полностью известна и определенным образом организована, а предметы, с которыми он манипулирует,-- в исходном положении и строго ориентированы в пространстве.

Роботы второго поколения - роботы с адаптивным управлением или адаптивные роботы, они имеют средства очувствления. Воспроизводят функции ощущения: видят, слышат, обоняют, осязают, высматривают, узнают, чувствуют вес поднимаемой детали, фиксируют касание схвата с деталью.

Адаптивные роботы, оснащенные информационными системами для сбора данных об изменениях внешней среды и оценки состояния компонент устройства управления и манипулятора, обладают большей эффективностью по сравнению с программными роботами.

Особый вид робототехнических систем -- дистанционно управляемые роботы и манипуляторы. Дистанционно управляемые манипуляторы делятся на три рода (потипу систем управления): с командным управлением, с копирующиму правлением, с полуавтоматическим управлением.

Командное управление характеризуется тем, что человек-оператор путем нажатия различных кнопок или включения тумблеров запускает по очереди приводы манипулятора по различным степеням подвижности (рис. 7.1), добиваясь таким образом поочередным включением каждого привода требуемого конечного положения всего манипуляционного механизма. Этот принцип управления часто применяется в обитаемых подводных аппаратах, например при взятии с помощью наружного манипулятора каких-либо образцов пород на дне моря, причем человек наблюдает за обстановкой изнутри аппарата через стекло иллюминатора.

Копирующее управление отличается тем, что человек-оператор работает с задающим механизмом, кинематически полностью подобным рабочему манипулятору. При этом каждый шарнир задающего механизма связан по принципу следящей системы с соответствующим шарниром рабочего манипулятора. В результате, если человек, взявшись за конец задающего механизма, будет его двигать, точно такие же движения получат все шарниры рабочего манипулятора одновременно (а не по очереди, как в командном способе).

Полуавтоматическое управление состоит в том, что задающий механизм имеет вид управляющей рукоятки со многими степенями свободы.

Человек-оператор, не производя своей рукой больших движений, как было в копирующем способе, простыми нажимами на рукоятку в ту или иную сторону управляет движением рабочего манипулятора. При этом кинематическая схема управляющей рукоятки может отличаться от кинематики рабочего манипулятора. Она строится исходя из удобства действий оператора и удобства ее технической реализации. Микропроцессорное вычислительное устройство (ВУ) выполняет в этом случае преобразование координат при формировании сигналов управления на приводы рабочего манипулятора.

Принцип дистанционного управления роботами (супервизорный и диалоговый) предполагают автоматические режимы действий робота, помещенного в опасной зоне. При этом функционированием робота управляет ЭВМ по заданной или адаптивно изменяющейся программе таким же образом, как в промышленных роботах. Но дополнительно робот имеет здесь еще дистанционную связь с человеком. Последний, наблюдая за ходом технологической операции с помощью телевидения, дистанционно тем или иным способом вмешивается в его действия. Роботы в экстремальных условиях имеют, следовательно, дистанционную связь с человеком-оператором. Во-первых, для отображения на его пульте обстановки и действий робота в рабочей зоне и, во-вторых, для задания средствами супервизорного или диалогового управления программ автоматического выполнения всех операций роботом.

Во всех случаях дистанционного управления как манипуляторами, так и роботами система имеет два канала: информационный (к человеку) и управляющий (от человека). В целом получается замкнутая через человека-оператора система дистанционного управления, включающая в себя различные технические устройства. Таким образом, мы имеем дело с замкнутой человеко-машинной системой. Следовательно, при этом особую важность приобретает решение эргономических проблем, в том числе инженерно-психологических, с учетом психофизиологических свойств человека-оператора.

Цель исследования и проектирования таких человеко-машинных систем заключается в том, чтобы, во-первых, получить наибольшую эффективность действия системы в целом, во-вторых, предоставить человеку наибольшие удобства работы в смысле наилучшей наглядности и необходимой полноты подаваемой ему информации о действиях робота или манипулятора (телевизионный, приборный и т.п.) и в смысле наилучшего соответствия управляющих устройств выполняемой задаче и свойствам самого человека. В-третьих, целью исследования при проектировании здесь является нахождение целесообразного для каждой задачи распределения функций между человеком и машиной.

В тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно программировать и автоматически выполнять все элементы операций, которые предстоит проделать роботу в экстремальных условиях, применяются комбинированные системы с автоматическим и дистанционным управлением (копирующим или полуавтоматическим). В этом случае программируется все, что возможно запрограммировать и реализовать в программном обеспечении для автоматических действий, для выполнения же остальных элементов операций, особенно в изменяющихся или непредвиденных (в частности, аварийных) ситуациях, дополнительно подключаются либо копирующая, либо полуавтоматическая система дистанционного управления.

Повсеместно массово производятся разнообразные погрузочно-разгрузочные работы. Их роботизация имеет первостепенное значение везде там, где неудобны обычные краны. Такие работы могут производиться в ряде случаев при наличии строгой определенности обстановки автоматически действующими роботами, например на автоматизированных складах без участия человека. Но для выполнения многих тяжелых работ, для подъема и переноса тяжеловесных грузов служат ручные сбалансированные манипуляторы - многозвенные механизмы с электро- и гидроприводами

Применение: наибольшее распространение роботы получили в машиностроительных и приборостроительных отраслях. Но существует также тенденция комплексной автоматизации с применением роботов в других отраслях

промышленности (легкой, пищевой, химической, строительной, металлургической, угле-, нефте-, газодобывающей и др.). Следует обратить внимание и на роботы для других целей в народном хозяйстве. Робототехнические системы самых разнообразных конструкций нужны для исключения ручного труда в прачечных и красильных, при мусороуборке, на других бытовых объектах, при очистке и мойке наружных стен и окон многоэтажных зданий. Нужны роботы для взятия проб грунта, камня, биологических объектов в недоступных или труднодоступных для человека местах (в глубинах морей и океанов), нужны роботы на космических объектах, а также в опасных и зараженных местах на Земле. Некоторые робототехнические системы начинают применяться и в медицине.

Список литературы

1. Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники: Введение в специальность: Учеб. Длявузов по спец. ''Робототехн. системы и комплексы”. М.: Высш.шк., 1990.224 с.

2. Юревич Е.И. Основы робототехники. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 368 с.

3. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин. Под ред. Девойно Г.Н. Mн: Выш. шк, 1986. 285 с

4. Мурашев В.П. Роботы и манипуляторы в лесном комплексе учеб. для студентов вузов по специальности "Машины и оборудование для лес. комплекса". М.: Изд-во МГУЛ, 2002. 239 с

5. Автоматизация производственных процессов. Под ред. Шаумяна Г.А. М.: Высш. шк., 1978. 431 с.

Размещено на Allbest.ru