Кибернетическая картина мира

циометрического типа 9, 10, 12, 13, 16, 17, определяющие угловые

поверхностью и порогом срабатывания 10 – 15 г. Датчики 1, 3, 5, 7, 8, 11 контактного типа выполнены в виде «дверцы» с неподвижной осью. Порог чувствительности их около 30 г в средней части контактируемой поверхности и зависит от места приложения усилия. Датчики 2, 10, 15 фотометрического типа работают по принципу прерывания луча. Фотометрический датчик ближнего обнаружения 6 производит измерение отраженного светового потока. Потенциометрический силометрический датчик 12, расположенный на тяге привода пальцев схвата, выдает сигнал, пропорциональный усилию сжатия пальцев.

Робот-манипуляторможетбытькакнеподвижным,такиподвиж- ным, причем передвигаться он может как при помощи колес, так и при помощи «ног». К датчикам состояния шагающего устройства (число ног у шагающего устройства не менее двух) относятся: датчики положения звеньев, измеряющие угловые координаты органов перемещения; датчики усилий в приводах; датчики горизонта, измеряющие угловые отклонения координат, связанных с платфор-

161

мой шагающего устройства, от координат, связанных с горизонтом (гировертикаль). К датчикам состояния внешней среды относятся: тактильные датчики, фиксирующие соприкосновение «стопы» органа перемещения с поверхностью; локационные датчики, измеряющие высоту платформы над поверхностью; локационные датчики, измеряющие высоту опорной части ноги над поверхностью.

Итак, мы видим, что робот – это сложная система, снабженная большимколичествомразличногородаинформационныхустройств. Для того чтобы целесообразно использовать информацию, получаемую от датчиков, необходимо организовать систему обработки чувствительной информации. Структура этой системы (как и структура всего робота) построена по иерархическому принципу, причем, чем выше уровень обработки информации, тем меньше ее избыточность и тем более обобщенные характеристики передаются на следующие уровни. Следует иметь в виду, что обработанная информация поступает на разные уровни системы управления роботов. Так, например, информация о положении звеньев манипулятора обрабатывается системой, обладающей всего одним уровнем обработки, на выходе которого имеются сигналы, пропорциональные величинам углов между звеньями манипулятора. Эта информация поступает в низшие уровни системы управления манипуляторов, поскольку она необходима прежде всего для управления движениями руки (как сигналы обратной связи о положении звеньев).

3.7. Системы обработки информации

Сигналы с информационных систем роботов поступают в вычислительную машину, туда же поступают приказы человекаоператора. В ЭВМ происходит сложный процесс обработки этой информации и выработки управляющих сигналов на двигательные системы робота. В процессе обработки информации осуществляется ее многократное преобразование.

Системы обработки информации для роботов в зависимости от мощности используемых вычислительных систем можно разделить на три группы: малые, средние и большие.

Малые системы обработки информации. К простейшему типу роботов следует отнести упомянутые выше промышленные роботыманипуляторы («Юнимэйт», «Версатран»). Информационные системы таких роботов состоят только из датчиков, измеряющих

162

углы поворота отдельных сочленений, и иногда добавляемых тактильных датчиков. Поскольку промышленные роботы предназначены для выполнения повторяющихся, сравнительно несложных операций, то системы обработки информации в них представляют собой просто запоминающие устройства (на магнитном барабане или магнитной ленте), снабженные устройствами записи, считывания и несложными логическими схемами.

Функция системы обработки информации в этом случае заключается в следующем:

– запись в запоминающее устройство программы поведения робота, задаваемой в символической форме (с помощью ключей, кнопок и т. п., находящихся на пульте);

– запись программы, задаваемой в коде движений (с помощью обучающего устройства, позволяющего при обучении перемещать руки робота в любых направлениях);

– автоматическое выполнение записанной программы.

В качестве запоминающего устройства для робота «Юнимэйт» используется магнитный барабан. Управляющие сигналы записываются в виде импульсов той или иной полярности. Считывание всегда происходит без разрушения записанной информации. Для управления движением руки «Юнимэйт», обладающей пятью степенями подвижности, вполне достаточно 80 двоичных разрядов. Во время отработки или записи того или иного движения барабан неподвижен. Таким образом, на магнитном барабане записаны требуемые значения углов для каждой степени подвижности. Разница между этими величинами и текущими значениями углов образует сигналы рассогласования, которые являются управляющими сигналами для гидроприводов. После того как сигналы рассогласования, соответствующие всем степеням подвижности, становятся равными нулю, барабан поворачивается с помощью шагового электродвигателя на один шаг и система переходит к выполнению следующей фазы движения.

На магнитных барабанах, используемых в «Юнимэйт», может быть записано до 200 последовательностей различных команд управления.

Принцип работы робота «Версатран» такой же, только в качестве запоминающего устройства использована магнитная лента.

Малые системы обработки информации позволяют роботу функционировать только в стационарной внешней среде, изменяющейся заранее предусмотренным образом.

163

Средние системы обработки информации. В подобных систе-

мах используются вычислительные машины средней мощности. Роботы, оснащенные средними системами обработки информации, могут быть снабжены полным комплектом информационных систем, описанных выше. Исключение может составлять только зрительная система, поскольку распознавание зрительных образов в реальном масштабе времени требует использования мощных вычислительных средств. В связи с ростом возможностей микропроцессоров в настоящее время используются различные многопроцессорные системы для управления роботами.

3.8. Построение второго уровня управления манипулятором

Манипулятор как система может быть описан с помощью конечных и дифференциальных уравнений. Но попытки определить

спомощью классических методов механики управляющие воздействия, которые необходимо приложить к приводам манипулятора, наталкиваются на серьезные трудности при решении обратных задач для уравнений Лагранжа.

Метод избыточных переменных позволяет решить эту проблему управления. Действительно, если кинематические цепи манипулятора можно описать конечными уравнениями, то с помощью методики,описаннойв предыдущейглаве,можноопределитьструктуру эквивалентных им дифференциальных уравнений с неопределенными коэффициентами. Назначая соответствующим образом эти произвольные коэффициенты, можно задавать самые разнообразные движения системе, причем по аналогии с человеческим телом сохраняется значительный произвол в выполнении тех или иных движений манипулятора.

Избыточность в структуре эквивалентных уравнений может быть использована как для борьбы с помехами, перераспределения управляющих сигналов при выходе из строя отдельных исполнительных приводов, регулирования темпа движения (по аналогии с системами с коррекцией аргумента), так и для осуществления различных целенаправленных движений. Ниже наибольшее внимание будет уделяться именно последнему аспекту.

Кинематические схемы манипуляторов включают в себя звенья

свращательным и поступательным движением и насчитывают до 10 степеней подвижности.

164

Конструктивная схема одного из манипуляторов (рис. 3.21, а, б) включает звенья с гидроцилиндрами, длина которых Li, i = 1, 2, 3, 4, изменяется в пределах (Li0 ±35) мм; ai, bi – звенья, длина которых не изменяется. Удобнее рассматривать в качестве изменяемых

B

Рис. 3.21. Конструктивная схема манипулятора: а – вид сбоку; б – вид сверху

координат не длину звеньев Li, а углы ai. Связь между ними определяется с помощью уравнений

Li2 – аi2 + bi2 – 2aibicosαi = 1, 2, 3, 4

В соответствии с этой конструктивной схемой построена кинематическая схема (рис. 3.22), откуда координаты схвата манипулятора (точка С) определяются с помощью уравнений

хс = l1sinа1sin а2 + l2sin β1 sin β2 + l3 sin γ1sin γ2;

yc = sin а1 cos а2 + l2 sin β1 cos β2 + l3 sin γ1cos γ2; (3.4)

zc = l1 cos α1 + l2 cos β1 + l3cos γ1,

где

β1 = α1 + β′1, β2 = α1 + α3; γ1 = α1 + β′′1 + α4,

γ2 = α1 + α3 + γ′2; β′1 = const, β′′1 = const; γ′2 = const; l1 = const, l2 = const, l3 = const.

165

После дифференцирования уравнений (3.4) получаем три уравнения Пфаффа. Если задается скорость точки С, то эти уравнения имеют вид

i=1

где Qij – функции ai (i = 1, 2, 3, 4); j1 = xc, j2 = ус, j3 = zc.

Для уравнений Пфаффа (3.5) может быть построена эквивалентная система дифференциальных уравнений с неопределенными коэффициентами, число которых в данном случае для n = 9, m = 7 будет равно s = Сnm + 1 = 9. Наибольший интерес из этих уравнений представляет уравнение для времени. Полагая t = х9, получим

dx

dt =u2D1234567 +u3D1234568 +u4D1234578 +u5D1234678 + +u6D1235678 +u7D1245678 +u8D1345678u9D2345678 =1.

Коэффициенты us могут быть любыми, но обязательно должно выполняться это уравнение синхронности. При выходе из строя привода по любой одной переменной αi структура может быть перестроена так, что скорость по этой переменной будет равна нулю.

Уравнения (3.4) можно и не присоединять к системе (3.5), организовав их решение в отдельном вычислительном блоке.

Часто затруднительно задавать скорости в виде фиксированных функций времени, поэтому в рассмотрение следует ввести сами переменные хс, ус, zc. Эквивалентная система дифференциальных уравнений, построенная по уравнениям (3.5), в этом случае будет содержать s = С47 = 35 произвольных коэффициентов, которые могут быть назначены так, чтобы осуществить различные режимы движения манипулятора. Например, можно обеспечить такие движения, что

dxc/dt > 0, dyc/dt = dzc/dt = 0 или

dxc/dt = dzc/dt = 0, dyc/dt < 0 и т. д.

Если задана фиксированная точка, к которой должен приблизиться схват манипулятора, то, введя дополнительную переменную

= (хц – хс)2 + (yц – ус)2 + (zц – zc)2,

где хц, уц, zц – координаты цели, можно присоединить это уравнение к уравнениям (3.5), и для этой исходной системы в эквивалентной системе дифференциальных уравнений будет содержаться

166

s=C58 =56 произвольных коэффициентов, которые могут быть заданы так, чтобы ∆ устойчиво стремилась к нулю.

Аналогичным образом назначаются коэффициенты us при движении схвата манипулятора в заданном направлении, по заданной кривой или поверхности.

Во всех рассмотренных случаях в структурах дифференциальных уравнений после задания движения остаются произвольные коэффициенты, которые могут быть использованы для оптимизации динамических свойств системы. Например, с помощью подбора свободных коэффициентов us можно минимизировать затраты кинетической энергии при выполнении заданного движения.

Таким образом, с помощью неопределенных коэффициентов оказывается возможным управлять манипулятором при задании: 1) траектории в виде пересечения поверхностей, 2) направления движения в довольно общем виде; 3) требования минимизации или максимизации расстояния между заданной точкой и схватом.

3.9. Уровни управления шагающей машиной

При автоматизации ручных и вспомогательных работ чрезвычайно важно, чтобы робот-манипулятор обладал способностью передвигаться в любом направлении по поверхности произвольного профиля (пол цеха, лестница, пересеченная местность и т. п.). Наиболее удобно с этой точки зрения использовать для передвижения шагающие устройства, управляемые ЭВМ. Прежде чем перейти к описанию конкретных алгоритмов, рассмотрим кратко историю вопроса.

Основные особенности шагающих машин, управляемых ЭВМ.

В настоящее время ведутся большие работы по построению шагающих машин, которые имеют ряд преимуществ перед другими видами транспорта. Несмотря на то что работы такого рода ведутся около 100 лет, существенных результатов до сих пор достигнуто не было, поскольку задача управления шагающей машиной весьма сложна, и она не может быть решена чисто механическим путем. Только с внедрением развитой вычислительной техники появляется реальная возможность построения шагающих машин, имеющих практическое значение.

Первый вопрос, с которым сталкивается конструктор при проектировании шагающих машин, – это выбор количества ног. Бесчисленное множество решений этого вопроса предложено приро-

167

дой. Представители животного мира обладают самым различным количеством ног. Так, у некоторых насекомых шесть ног, у членистоногих – восемь, наземные млекопитающие имеют четыре ноги и, наконец, человек – две. Таким образом, только высокоорганизованные живые организмы, имеющие развитый аппарат стабилизации, имеют две и четыре ноги. Насекомые и членистоногие, имеющие шесть и восемь ног, во время шагания сохраняют ЦТ внутри опорного многоугольника, и задача управления движением у них значительно упрощается. По этому же принципу, как отмечал П. Л. Чебышев, необходимо строить и шагающие машины, чтобы избежать дополнительного усложнения конструкции за счет введения механизма стабилизации. Поскольку в то время информационно-вычислительная техника не была развита, вопрос стабилизации ЦТ выглядел весьма сложным. В настоящее время, когда задача построения движения и стабилизации ЦТ может решаться вычислительной машиной на основе информации о состоянии поверхности и окружающей среды, появляется реальная возможность построить шагающую машину с шестью, четырьмя

идаже двумя ногами. Количество ног при этом будет определять сложность вычислительного устройства.

Первая попытка создать шагающую машину была сделана П. Л. Чебышевым. Его «стопоходящий механизм» состоял из четырех лямбдообразных прямил, жестко соединенных между собой. Траектория опорной точки ноги в этом механизме сходна с траекторией стопы человека при ходьбе. Механизм мог передвигаться только по прямой. В наше время были сделаны попытки создать шагающую машину на основе механизма Чебышева, но практического значения она не имела.

За рубежом, в частности в США, ведутся большие работы по созданию шагающих машин. Одна из них – машина типа «шагающий вагон». Она может направляться в любую сторону либо при помощи руля, присоединенного к передней ноге, либо при помощи координированного движения ног. Между передними и задними ногами расположен пассажирский вагон на 4–6 человек. Движение ног координируется таким образом, что, когда левая передняя нога выдвигается полностью вперед, то также полностью выдвигается

иправая задняя нога. Шагающий механизм, управляющий ногами каждой пары, сконструирован таким образом, что попеременно нога поднимается, выдвигается вперед, опускается и возвращается в исходное положение.

168

Представляет интерес и другой проект – механический жук. Он имеет восемь ног, которые приводятся в действие от электродвигателя через цилиндрическую зубчатую передачу и кулачки. Во время ходьбы ноги совершают колебательные движения.

Известные в настоящее время проекты шагающих устройств условно можно разбить на четыре класса. К первому относятся устройства, сконструированные на основе так называемого траекторного синтеза. У машин этого класса координация движений ног осуществляется чисто механическим путем с применением многозвенных кинематических цепей со сложной структурой. Процесс шагания в этом случае представляет собой жесткий двигательный стереотип, оптимальный по затратам энергии на перемещение для определенных условий движения, однако совершенно исключающий возможность приспосабливаться к непрерывно меняющимся условиям дороги. Отсутствие этого качества практически сводит на нет все достоинства шагающих устройств. Характерным примером устройств этого класса являются «стопоходящая» машина Чебышева и механизм Муратори.

Ко второму классу относятся машины, сконструированные на основе моделирующего синтеза. При этом в какой-то мере осуществляется копирование структуры конечностей животных, поэтому траектории движения конечностей становятся не жесткими, что принципиально создает возможность увеличения приспособительных свойств устройства к условиям дороги. Однако крайне примитивные устройства управления конечностями, а также сильно упрощенные кинематические модели ног сильно уменьшают возможность этого класса машин; кроме того, такие шагающие устройства нерациональны с энергетической точки зрения. Примером шагающего устройства подобного типа является шагающий экскаватор.

Возникновение значительных динамических нагрузок в опорах шагающего устройства, вызванных большими ускорениями из-за малого времени разгона и торможения, привело к необходимости разработки третьего класса шагающих устройств, построенных по методу динамического синтеза. Примером таких устройств может служить одно из шагающих устройств Дж. Шигли, имеющее шестнадцать опор (по четыре в каждом углу платформы), причем фазы движения их подобраны таким образом, чтобы во время ходьбы уравновесить динамические нагрузки. В этом случае вес шагающей машины значительно увеличивается, что ведет к нерациональным

169

энергетическим затратам. Решение проблемы уравновешивания динамических нагрузок следует, по-видимому, искать в исследовании динамики привода, а не самих опор.

К четвертому классу относятся шагающие устройства, построенные на педипуляторном принципе. В этих устройствах ноги человека-оператора связаны через следящие системы с механизмами, являющимися аналогами ноги. При этом положение механической ноги в пространстве соответствует в некотором масштабе положению ноги оператора, и шагание оператора приводит к аналогичному движению механической ноги. В шагающих устройствах этого класса приспособляемость к непрерывно меняющимся условиям дороги, выбор траектории и закона движения ног, задачу сохранения равновесия человек берет на себя. Очевидно, большим недостатком этих машин является быстрая и значительная утомляемость человека-оператора, целиком поглощенного решением задачи управления, ограниченные возможности человека как устройства управления, в частности, при осуществлении высокоскоростных движений.

Использование ЭВМ для управления шагающими машинами позволяет устранить недостатки, свойственные шагающим машинам любых типов. ЭВМ, работающая по программе, использующей информацию, которая поступает от датчиков, сигнализирующих о состоянии шагающей машины и характера дороги, обеспечивает целенаправленное перемещение шагающей машины с необходимой координацией движения ног, приспособляемость к условиям дороги, непрерывное сохранение устойчивого равновесия, минимизацию расхода энергии на перемещение.

Выходные сигналы вычислительной машины воздействуют на приводы, управляющие координатами кинематических цепей органов перемещения. Поскольку каждая координата чаще всего имеет индивидуальный привод, управляемый с помощью индивидуального выходного канала ЭВМ, координация движений органов перемещения и отдельных звеньев этих органов происходит на уровне ЭВМ, чем обеспечивается огромная гибкость в осуществлении разнообразных способов движения.

Перейдем к рассмотрению различных методов построения алгоритмов управления шагающей машины.

Методы теории конечных автоматов. Идеи использования тео-

рии конечных автоматов для этих целей впервые появились в ра-

ботах [16, 18]. 

170