книги / Робот. Компьютер. Гибкое производство

Регулятор, использующий только позиционную обратную связь, успешно управляет манипулятором робота в ре­ жиме, когда моменты нагрузки на исполнительных валах не превышали некоторые пороговые значения, определяемые так называемыми моментами приемисто­ сти двигателей. Если же моменты нагрузки превышают указанные пороги, то при неадаптивном регуляторе воз­ никает известный эффект «потери шагов» двигателей или автоколебания.

В подобных случаях возникает необходимость в сред­ ствах адаптации. Режим адаптации характеризуется тем, что эстиматор, контролируя отклонение реального и про­ граммного движений, автоматически включает адаптатор, который корректирует параметры регулятора. В резуль­ тате формируются такие управляющие воздействия, что программное движение осуществляется с требуемой точ­ ностью, несмотря на неопределенность и дрейф парамет­ ров в двигательной системе. Благодаря этому улучшает­ ся качество переходных процессов, расширяются функ­ циональные возможности робота и повышается его надежность.

Для расширения адаптивных возможностей роботов часто используется дополнительная обратная связь по силе или моменту. Это позволяет создавать адаптивные приводы с регулируемой жесткостью [3]. Роботы с таки­ ми приводами обеспечивают надежное выполнение таких сложных «силовых» операций, как, например, сверление отверстий или навинчивание гаек.

Компьютерная реализация систем адаптивного управления

Рассмотрим пути и средства компьютерной реализации систем адаптивного управления роботами. В настоящее время для автоматизации управления роботами все шире используются микрокомпьютеры и микропроцессоры. Эти новые средства управления обладают высоким быстродей­ ствием, надежностью и функциональной гибкостью. Они выгодно отличаются от универсальных ЭВМ низкой стои­ мостью и малыми габаритами. Поэтому микропроцессоры особенно перспективны для программно-аппаратурной реализации систем адаптивного управления. Обеспечивая естественное распределение функций и распараллелива­ ние вычислительных процессов, микропроцессоры позво­

71

ляют реализовать адаптивное управление роботами в реальном масштабе времени.

Опишем общие принципы проектирования мультимикрэпроцессорных адаптивных систем управления для ро­ ботов и робототехнических комплексов. Следует отметить, что эти принципы и средства сохраняют свою силу и для неадаптивных систем, являющихся частным случаем адаптивных.

Процесс проектирования микропроцессорных систем адаптивного управления роботов включает следующие этапы:

1)постановка задачи и алгоритмический синтез си­ стемы адаптивного управления,

2)выбор микрокомпьютера, микропроцессоров и ин­

терфейса,

3)разработка программного обеспечения,

4)моделирование и макетирование.

Первый этап играет важнейшую роль. Он предопреде­ ляет облик и свойства системы адаптивного управления робота, ее соответствие техническому заданию.

На втором этапе выясняется, какие алгоритмы долж­ ны быть распределены между микрокомпьютером и мик­ ропроцессорами, какие временные соотношения должны при этом соблюдаться, каковы требования к запоминаю­ щему устройству и т. д. После этого выбираются конкрет­ ные микропроцессоры, обеспечивающие принципиальную возможность решения задачи в реальном масштабе вре­ мени. Выбор микропроцессоров основывается на анализе таких характеристик, как быстродействие, длина слова, объем памяти, система команд, а также возможностей интерфейса.

Функциональные возможности специализированных микропроцессоров определяются их программным обеспе­ чением, т. е. пакетом программ, реализующих соответст­ вующие алгоритмы. Поэтому на третьем этапе разраба* тывается программное обеспечение.

Эффективность алгоритмического и программного обес­ печения оценивается путем моделирования или макети­ рования адаптивной системы на базе прототипного микро­ процессорного набора. На этом четвертом этапе осуществ­ ляется также окончательная отладка программного обес­ печения.

Системы адаптивного управления роботов, реализуе­ мые на базе микропроцесоров, выгодно отличаются от обычных систем программного управления, в которых ис­

72

пользуется локальный принцип сервоуправления каждым приводом. При адаптивном управлении локальные связи размыкаются и формируется общая обратная связь через микропроцессорную систему управления. Это позволяет выбрать структуру регулятора с учетом динамики испол­ нительного механизма робота так, чтобы полностью ней­ трализовать перекрестные связи и нежелательное взаи­ мовлияние звеньев при отработке программы движения.

Важным достоинством системы адаптивного управле­ ния является то, что она обеспечивает (при соответствую­ щем выборе структуры программатора, эстиматора, адаптатора и регулятора) асимптотическую устойчивость программного движения при любых начальных отклоне­ ниях. В то же время система локального сервоуправления в лучшем случае гарантирует лишь устойчивость в малом, т. е. работоспособность робота сохраняется лишь при небольших отклонениях реального п программного движения. Следует также подчеркнуть, что система адап­ тивного управления способна обеспечить желаемый ха­ рактер переходных процессов в любом наперед заданном классе параметрических возмущений, а система программ­ ного управления адаптивна лишь при достаточно малых возмущениях или неадаптивна вообще.

Все это говорит о несомненных преимуществах систем адаптивного управления по сравнению с традиционными системами программного управления. И хотя реализация таких более совершенных систем наталкивается на из­ вестные трудности, она вполне осуществима уже сегодня на базе современных компьютеров и микропроцессоров. Тем самым открывается реальная перспектива создания адаптивных роботов, обладающих высокоразвитой способ­ ностью автоматического приспособления к заранее неиз­ вестным и меняющимся условиям эксплуатации.

Э л е м е н т ы и н те л л е к та р о б о т о в

Проблематика адаптивного управления роботами в общем случае не сводится только к автоматическому програм­ мированию и осуществлению целенаправленных движений в условиях неопределенности. Наряду с решением этих чисто двигательных задач робот должен уметь решать и задачи интеллектуальные. Уже сегодня имеется реальная потребность в адаптивных роботах, обладающих способ­ ностью обучаться понятиям и распознавать классы сигна­ лов или объектов. Так, для речевого управления необхо-

73

Система связи

Рис. 3. Иерархическая структура адаптивного робота с элементами искусственного интеллекта

димо, чтобы робот мог распознавать отдельные фонемы или команды; для автономного функционирования в не­ знакомой обстановке робот должен распознавать препят­ ствия и анализировать окружающую обстановку; для автоматической сборки изделий из деталей, поступающих в навале, робот должен не только идентифицировать нужную деталь, но и определить ее местоположение и ориентацию.

Способность к обучению и распознаванию является важным, но не единственным элементом интеллекта ро­ бота. Среди других элементов можно выделить способно­ сти робота к моделированию внешней среды, логическому анализу сложных заданий и к планированию собствен­ ных действий. В процессе функционирования робота ука­ занные элементы искусственного интеллекта тесно взаи­ модействуют и определяют режим работы адаптивной системы управления движением. Это диктует необходи­ мость иерархической организации процесса управления, который можно назвать интеллектуальным.

Многоуровневая иерархическая структура адаптивно­ го робота с элементами искусственного интеллекта пред-

74

ставлена на рис. 3. Здесь выделены два главных уровня управления: стратегический и тактический. На стратеги­ ческом уровне решаются задачи принятия решений и пла­ нирования поведения робота, а также задачи распознава­ ния и моделирования внешней среды. На тактическом уровне осуществляется планирование и программирова­ ние движений робота (с учетом информации, заключенной в модели среды), а также синтезируются алгоритмы уп­ равления движением.

Роботы рассматриваемого типа относятся к третьему поколению. Они предназначены для автономного функ­ ционирования в условиях, многие из которых могут быть неизвестны конструктору. Более того, эти условия могут существенно меняться в процессе выполнения роботом данных ему заданий. Поэтому весьма важное значение приобретают алгоритмические средства обучения и адап­ тации. Как видно из рис. 3, эти средства должны исполь­ зоваться на каждом уровне иерархии системы адаптив­ ного управления. Только в этом случае можно гаранти­ ровать достижение роботом заданных целей в заранее неизвестных и меняющихся условиях.

Остановимся более подробно на том, какие функции воз­ лагаются на отдельные элементы интеллекта роботов и каковы алгоритмы, обеспечивающие их нормальную ра­ боту. Прежде всего заметим, что общение робота с чело­ веком осуществляется в режиме диалога через систему связи. Для формулировки роботу заданий человек обычно использует язык директив, представляющий собой упро­ щенную версию естественного языка.

На первом уровне иерархической системы управле­ ния осуществляется планирование поведения робота п принятие соответствующих решений. Алгоритмы этого уровня (обычно это логические алгоритмы поиска реше­ ний) на основе данного роботу задания, а также инфор­ мации, получаемой от сенсорной системы и нижних уров­ ней иерархии, строят план действий, который ведет к достижению цели. Далее последовательно принимаются решения об отработке отдельных операций, реализующих «запланированное» поведение робота.

На втором уровне иерархии осуществляется распозна­ вание сигналов и объектов, а также формирование поня­ тий и модели внешней среды. Алгоритмы этого уровня осуществляют обучение робота понятиям, распознаванию и анализу ситуаций в соответствии с указаниями более высокого уровня. При этом существенно используется

75

сенсорная информация. Полученные роботом знания обычно реализуются в форме семантических сетей, рас­ познающих графов и адаптивных решающих правил, на­ зываемых фреймами [1, 8].

Процесс распознавания роботом сигналов и анализа окружающей обстановки зачастую сводится к поиску логического вывода [ 1 ]. По мере формирования новых понятий в памяти робота автоматически строится и уточ­ няется модель внешней среды. Эта информационная мо­ дель используется для организации и проведения «мыс­ ленных экспериментов» по выбору того или иного плана поведения робота еще до совершения им реальных дей­ ствий.

Алгоритмы третьего уровня осуществляют предвари­ тельное планирование и построение программных движе­ ний исполнительных механизмов робота с учетом кон­ структивных ограничений и препятствий. Здесь широко используются методы оптимизации на графах и вариа­ ционные методы [2].

Наконец, на четвертом (низшем) уровне синтезируют­ ся алгоритмы адаптивного управления приводами испол­ нительных механизмов, обеспечивающие фактическое осуществление построенного (на более высоком уровне) программного движения при ‘наличии динамических воз­ мущений и факторов неопределенности [5, 2].

Все перечисленные уровни иерархии функционально связаны между собой, а также с сенсорной системой ро­ бота. Их согласованная работа обеспечивается специаль­ ным коммутатором, называемым координатором.

Реализация иерархических систем адаптивного управ­ ления с элементами искусственного интеллекта требует обязательного использования компьютеров и микропро­ цессоров. Это и понятно: ведь интеллектуальное управ­ ление невозможно рассчитать заранее. Децентрализован­ ная иерархическая структура этого управления позволяет распараллелить вычислительные процессы и распределить функции (элементы искусственного интеллекта) между различными компьютерами и микропроцессорами. Послед­ нее особенно важно с точки зрения обеспечения адаптив­ ного управления роботом с элементами интеллекта в ре­ альном времени.

Адаптивные роботы с элементами искусственного ин­ теллекта стали своеобразным символом современной научно-технической революции. На Международной вы­ ставке ЭКСПО-85 в Японии были продемонстрированы

70

их уникальные способности. Один из адаптивных робо­ тов блестяще удерживал в равновесии волчок, раскручен­ ный на острие самурайского меча. Другой робот, играя «с листа» на электронном органе, показал незаурядное исполнительское мастерство.

Робот-музыкант по своей конструкции напоминает человека и снабжен элементами интеллекта. Он имеет две механические руки с пятью пальцами каждая, корпус и две механические ноги. Общее число суставов (степе­ ней подвижности) равно 50. На месте головы этого антро­ поморфного робота установлена телевизионная системе считывания и распознавания нот и акустическая система распознавания команд человека и синтеза речи.

Система адаптивного управления робота-музыкаига имеет иерархическую структуру. На нижнем уровне этой системы осуществляется управление 50 микропроцессора­ ми, встроенными в электроприводы суставов. На более вы­ соких уровнях осуществляется автоматическое програм­ мирование и координация движений рук, пальцев, корпуса и ног в соответствии с планом игры, формируемым на основе распознавания и анализа нот. При этом учитыва­ ется не только содержание нотной записи, но и ключ произведения, тональность, темп и т. п.

На этой же выставке адаптивные и интеллектуальные возможности роботов были продемонстрированы в полу­ часовом шоу «Фантазия 2001 года». Финалом этого пред­ ставления явился парад роботов, во время которого они прощались со зрителями и назначали им встречу в 2001 году. Так фантастическое в мире роботов сегодня сливаем я с реальностью.

А д а п т и в н ы е м а н и п у л я ц и о н н ы е р о б о т ы

Первые лабораторные образцы роботов с элементами адаптации были созданы в 70-х годах. Их появлению предшествовала разработка математических моделей адап­ тивных роботов, способных вырабатывать целесообразное поведение в заранее неизвестной и меняющейся обстанов­ ке. К ним относятся алгоритмические модели робота «глаз—рука» и робота-«велосипедиста», адаптивные моде­ ли человека-оператора и др. [1, 5]. Именно на этих мо­ делях формировались и совершенствовались методы со­ временной теории адаптивного управления. В дальней­ шем они легли в основу алгоритмического и программного обеспечения систем адптивного управления работов.

77

световым карандашом указывает объекты манипулиро­ вания.

Система адаптивного управления по введенным коор­ динатам целевого объекта рассчитывает программу дви­ жения и формирует закон управления шаговыми двигате­ лями с учетом динамики двигательной системы. Идеаль­ ный закон зависит от параметров (массы, размеров, формы) объекта манипулирования и приводов. Однако эти параметры либо неизвестны (или известны приближен­ но) , либо могут изменяться непредсказуемым образом. Поэтому возникает необходимость в адаптации, т. е. в самонастройке параметров регулятора в процессе функ­ ционирования робота.

Благодаря адаптации удается компенсировать факторы неопределенности и порождаемый ими эффект «потели

78

шагов» двигателей при больших моментах нагрузки. Ре­ зультаты экспериментов с разработанной системой адап­ тивного управления свидетельствуют о ее высокой эффек­ тивности и надежности в условиях неопределенности, когда обычная система программного управления прин­ ципиально не может обеспечить требуемую точность от­ работки программы движения.

Аналогичная система адаптивного управления была разработана для робота ЛПИ-2 [1], состоящего из двух антропоморфных манипуляторов с двигателями постоян­ ного тока и набора сменных очувствленных схватов. Ме­ стоположение и ориентация деталей в рабочей зоне оп~ ределяются с помощью телевизионной системы целеука­ зания и очувствленного стола, автоматически выдающего координаты находящихся на нем объектов. По этим дан­ ным программатор вычисляет программу движения с учетом конструктивных ограничений и препятствий. Тем самым обеспечивается адаптация к препятствиям в рабо­ чей зоне. Адаптивный регулятор, компенсируя факторы неопределенности, обеспечивает отработку синтезирован­ ной программы с заданными показателями качества пере­ ходных процессов. Высокое качество управления обеспе­ чивается адекватностью структуры регулятора динамике двигательной системы робота и быстродействием адаптатора.

В Институте прикладной математики АН СССР ведут­ ся исследования, направленные на создание различных вариантов адаптивных роботов для сборки. Один из этих роботов оснащен двумя антропоморфными манипулятора­ ми УЭМ-2, необходимым инструментом и технологической оснасткой. Система управления робота снабжена элемен­ тами адаптации: в зависимости от результатов логиче­ ского анализа текущей ситуации осуществляются проб­ ные движения или адаптивная коррекция программы движения манипуляторов. При этом используется мини­ мальная сенсорная информация, а именно только пози­ ционная обратная связь. Тем самым показано, что адап­ тивное поведение сборочного робота можно организовать п без использования зрительного или силомоментного очувствления.

Другой вариант адаптивного робота снабжен системой технического зрения. Это позволяет собирать сложные изделия из неупорядоченных деталей. Третий вариант сборочного робота создан на базе неадаптивиого робота «Прагма» итальянской фирмы «Деа». Однако система

79

программного управления этого робота дополнена элемен­ тами адаптации, позволяющими гибко и адекватно реаги­ ровать на нестандартные ситуации.

В Научно-учебном центре «Робототехника» также раз­ работан адаптивный электромеханический робот с антро­ поморфным манипулятором УЭМ-5 11]. Для получения информации об окружающей среде используется внеш­ няя обратная связь через телевизионную камеру. Изобра­ жение рабочей зоны вводится в систему адаптивного уп­ равления, где оно анализируется и интерпретируется для целей дальнейшего манипулирования объектами. При этом определяется форма объектов, их положение и ори­ ентация, что позволяет работать с произвольно располо­ женными деталями, контролировать правильность выпол­ нения ранее запланированных операций и т. п. Про­ граммное обеспечение системы управления позволяет решать некоторые задачи анализа сцен, планирования движения манипулятора и самонаведения схвата мани­ пулятора с различными средствами очувствления (фото­ матрица, телекамера, датчики ближней локации).

В последние годы в Японии, США, СССР и других промышленно развитых странах разработаны серийные образцы адаптивных работов предназначенных для авто­ матизации основных технологических операций. Рассмот­ рим особенности систем адаптивного управления на при­ мере сварочных и сборочных роботов.

Основным требованием, предъявляемым к системам управления роботов для дуговой сварки, является обес­ печение перемещения сварочной головки вдоль линии шва с требуемой скоростью и заданной ориентацией. Обычные системы программного управления этому требованию не удовлетворяют. Поэтому возникла потребность в системах адаптивного управления, способных автоматически отсле­ живать любые траектории швов, и поддерживать заданный технологический режим сварки в непредсказуемо изме­ няющихся условиях.

Один из первых адаптивных роботов для дуговой сварки разработала фирма «Хитачи». Система управле­ ния этого робота обеспзчивает движение сварочной голов­ ки вдоль прямолинейного шва, а при отклонении коррек­ тирует параметры закона управления на основании сигналов обратной связи от двух электромагнитных датчиков. Достоинствами этой системы являются ее про­ стота, надежность и возможность адаптации к линии шва непосредственно в процессе сварки. Однако она теряет

80