Кибернетическая картина мира. Есть многое на свете, друг Горацио, что недоступно нашим
 Скачать 14.04 Mb.
|
|
3.7. Системы обработки информации Сигналы с информационных систем роботов поступают в вы- числительную машину, туда же поступают приказы человека- оператора. в эвМ происходит сложный процесс обработки этой информации и выработки управляющих сигналов на двигательные системы робота. в процессе обработки информации осуществляет- ся ее многократное преобразование. Системы обработки информации для роботов в зависимости от мощности используемых вычислительных систем можно разде- лить на три группы: малые, средние и большие. Малые системы обработки информации.К простейшему типу роботов следует отнести упомянутые выше промышленные роботы- манипуляторы («Юнимэйт», «версатран»). Информационные системы таких роботов состоят только из датчиков, измеряющих 163 углы поворота отдельных сочленений, и иногда добавляемых так- тильных датчиков. Поскольку промышленные роботы предназна- чены 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, считыва- ния и несложными логическими схемами. Функция системы обработки информации в этом случае заклю- чается в следующем: – запись в запоминающее устройство программы поведения ро- бота, задаваемой в символической форме (с помощью ключей, кно- пок 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 записы- ваются в виде импульсов той или иной полярности. Считывание всегда происходит без разрушения записанной информации. для управления движением руки «Юнимэйт», обладающей пятью сте- пенями подвижности, вполне достаточно 80 двоичных разрядов. во время отработки или записи того или иного движения барабан неподвижен. Таким образом, на магнитном барабане записаны тре- буемые значения углов для каждой степени подвижности. Разница между этими величинами и текущими значениями углов образу- ет сигналы рассогласования, которые являются управляющими сигналами для гидроприводов. После того как сигналы рассогла- сования, соответствующие всем степеням подвижности, становят- ся 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 уп- равления. Принцип работы робота «версатран» такой же, только в каче- стве запоминающего устройства использована магнитная лента. Малые системы обработки информации позволяют роботу функ- ционировать только в стационарной внешней среде, изменяющей- ся заранее предусмотренным образом. 164 Средние системы обработки информации.в подобных систе- мах используются вычислительные машины средней мощности. Роботы, оснащенные средними системами обработки информа- ции, 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 вы- числительных средств. в связи с ростом возможностей микропро- цессоров в настоящее время используются различные многопро- цессорные системы для управления роботами. 3.8. Построение второго уровня управления манипулятором Манипулятор как система может быть описан с помощью ко- нечных и дифференциальных уравнений. Но попытки определить с помощью классических методов механики управляющие воздей- ствия, которые необходимо приложить к приводам манипулятора, наталкиваются на серьезные трудности при решении обратных за- дач для уравнений Лагранжа. Метод избыточных переменных позволяет решить эту проблему управления. действительно, если кинематические цепи манипуля- тора можно описать конечными уравнениями, то с помощью мето- дики, описанной в предыдущей главе, можно определить структуру эквивалентных им дифференциальных уравнений с неопределен- ными коэффициентами. Назначая соответствующим образом эти произвольные коэффициенты, можно задавать самые разнообраз- ные 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 исполни- тельных приводов, регулирования темпа движения (по аналогии с системами с коррекцией аргумента), так и для осуществления раз- личных целенаправленных движений. Ниже наибольшее внима- ние будет уделяться именно последнему аспекту. Кинематические схемы манипуляторов включают в себя звенья с вращательным и поступательным движением и насчитывают до 10 степеней подвижности. 165 Конструктивная схема одного из манипуляторов (рис. 3.21, а, б) включает звенья с гидроцилиндрами, длина которых L i , i= 1, 2, 3, 4, изменяется в пределах (L i0 ±35) мм; a i , b i – звенья, длина кото- рых не изменяется. Удобнее рассматривать в качестве изменяемых Рис. 3.21. Конструктивная схема манипулятора: а – вид сбоку; б – вид сверху координат не длину звеньев L i , а углы a i . Связь между ними опреде- ляется с помощью уравнений L i 2 – а i 2 + b i 2 – 2a i b i cos α i = 1, 2, 3, 4 или с помощью уравнений Пфаффа 2L i dL i + 2a i b i sin α i d α i = 0, i = 1, 2, 3, 4. (3.3) в соответствии с этой конструктивной схемой построена кине- матическая схема (рис. 3.22), откуда координаты схвата манипу- лятора (точка С) определяются с помощью уравнений х с = l 1 sinа 1 sin а 2 + l 2 sin β 1 sin β 2 + l 3 sin γ 1 sin γ 2 ; y c = sin а 1 cos а 2 + l 2 sin β 1 cos β 2 + l 3 sin γ 1 cos γ 2 ; (3.4) z c = l 1 cos α 1 + l 2 cos β 1 + l 3 cos γ 1 , где β 1 = α 1 + β′ 1 , β 2 = α 1 + α 3 ; γ 1 = α 1 + β′′ 1 + α 4 , γ 2 = α 1 + α 3 + γ′ 2 ; β′ 1 = const, β′′ 1 = const; γ′ 2 = const; l 1 = const, l 2 = const, l 3 = const. 166 После дифференцирования уравнений (3.4) получаем три урав- нения Пфаффа. Если задается скорость точки С,то эти уравнения имеют вид 4 ij i j i=1 Q da f dt 0 j 1 2 3 , , , , − = = ∑ (3.5) где Q ij – функции a i (i = 1, 2, 3, 4); ϕ 1 = x c , ϕ 2 = у с , ϕ 3 = z c для уравнений Пфаффа (3.5) может быть построена эквивалент- ная система дифференциальных уравнений с неопределенными коэффициентами, число которых в данном случае для n = 9, m = 7 будет равно s = С n m + 1 = 9. Наибольший интерес из этих уравнений представляет уравнение для времени. Полагая t = х 9 , получим 2 1234567 3 1234568 4 1234578 5 1234678 6 1235678 7 1245678 8 1345678 9 2345678 dx u D u D u D u D dt u D u D u D u D 1. = + + + + + + + = Коэффициенты u s могут быть любыми, но обязательно должно выполняться это уравнение синхронности. При выходе из строя привода по любой одной переменной α i структура может быть пере- строена так, что скорость по этой переменной будет равна нулю. Уравнения (3.4) можно и не присоединять к системе (3.5), орга- низовав их решение в отдельном вычислительном блоке. Часто затруднительно задавать скорости в виде фиксированных функций времени, поэтому в рассмотрение следует ввести сами переменные х с , у с , z c . эквивалентная система дифференциальных уравнений, построенная по уравнениям (3.5), в этом случае будет содержать s = С 4 7 = 35 произвольных коэффициентов, которые мо- гут быть назначены так, чтобы осуществить различные режимы движения манипулятора. Например, можно обеспечить такие дви- жения, что dx c /dt > 0, dy c /dt = dz c /dt = 0 или dx c /dt = dz c /dt = 0, dy c /dt < 0 и т. д. Если задана фиксированная точка, к которой должен прибли- зиться схват манипулятора, то, введя дополнительную переменную ∆ = (х ц – х с ) 2 + (y ц – у с ) 2 + (z ц – z c ) 2 , где х ц , у ц , z ц – координаты цели, можно присоединить это урав- нение к уравнениям (3.5), и для этой исходной системы в эквива- лентной системе дифференциальных уравнений будет содержаться 167 8 5 s C 56 = = произвольных коэффициентов, которые могут быть за- даны так, чтобы ∆ устойчиво стремилась к нулю. Аналогичным образом назначаются коэффициенты u s при дви- жении схвата манипулятора в заданном направлении, по заданной кривой или поверхности. во всех рассмотренных случаях в структурах дифференциаль- ных уравнений после задания движения остаются произвольные коэффициенты, которые могут быть использованы для оптимиза- ции динамических свойств системы. Например, с помощью подбо- ра свободных коэффициентов u s 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 чрезвычай- но важно, чтобы робот-манипулятор обладал способностью передви- гаться в любом направлении по поверхности произвольного профиля (пол цеха, лестница, пересеченная местность и т. п.). Наиболее удоб- но 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 шагаю- щих машин, которые имеют ряд преимуществ перед другими ви- дами 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 появляет- ся реальная возможность построения шагающих машин, имеющих практическое значение. Первый вопрос, с которым сталкивается конструктор при про- ектировании шагающих машин, – это выбор количества ног. Бес- численное множество решений этого вопроса предложено приро- 168 дой. Представители животного мира обладают самым различным количеством ног. Так, у некоторых насекомых шесть ног, у члени- стоногих – восемь, наземные млекопитающие имеют четыре ноги и, наконец, человек – две. Таким образом, только высокооргани- зованные живые организмы, имеющие развитый аппарат стаби- лизации, имеют две и четыре ноги. Насекомые и членистоногие, имеющие шесть и восемь ног, во время шагания сохраняют цТ внутри опорного многоугольника, и задача управления движе- нием у них значительно упрощается. По этому же принципу, как отмечал П. Л. Чебышев, необходимо строить и шагающие маши- ны, 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 ре- шаться вычислительной машиной на основе информации о со- стоянии поверхности и окружающей среды, появляется реальная возможность построить шагающую машину с шестью, четырьмя и даже 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 че- тырех лямбдообразных прямил, жестко соединенных между собой. Траектория опорной точки ноги в этом механизме сходна с траек- торией стопы человека при ходьбе. Механизм мог передвигаться только по прямой. в наше время были сделаны попытки создать шагающую машину на основе механизма Чебышева, но практиче- ского значения она не имела. за рубежом, в частности в США, ведутся большие работы по соз- данию шагающих машин. одна из них – машина типа «шагающий вагон». она может направляться в любую сторону либо при помо- щи руля, присоединенного к передней ноге, либо при помощи ко- ординированного движения ног. Между передними и задними но- гами расположен пассажирский вагон на 4–6 человек. движение ног координируется таким образом, что, когда левая передняя нога выдвигается полностью вперед, то также полностью выдвигается и правая задняя нога. Шагающий механизм, управляющий нога- ми каждой пары, сконструирован таким образом, что попеременно нога поднимается, выдвигается вперед, опускается и возвращается в исходное положение. 169 Представляет интерес и другой проект – механический жук. он имеет восемь ног, которые приводятся в действие от электродвига- теля через цилиндрическую зубчатую передачу и кулачки. во вре- мя 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 траек- торного синтеза. У машин этого класса координация движений ног осуществляется чисто механическим путем с применением много- звенных 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 исключаю- щий 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 Чебы- шева и механизм Муратори. Ко второму классу относятся машины, сконструированные на основе моделирующего синтеза. При этом в какой-то мере осущест- вляется копирование структуры конечностей животных, поэтому траектории движения конечностей становятся не жесткими, что принципиально создает возможность увеличения приспособитель- ных свойств устройства к условиям дороги. однако крайне при- митивные устройства управления конечностями, а также силь- но упрощенные кинематические модели ног сильно уменьшают возможность этого класса машин; кроме того, такие шагающие устройства нерациональны с энергетической точки зрения. При- мером 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 шест- надцать 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 170 энергетическим затратам. Решение проблемы уравновешивания динамических нагрузок следует, по-видимому, искать в исследова- нии динамики привода, а не самих опор. К четвертому классу относятся шагающие устройства, постро- енные на педипуляторном принципе. в этих устройствах ноги человека-оператора связаны через следящие системы с механиз- мами, являющимися аналогами ноги. При этом положение меха- нической ноги в пространстве соответствует в некотором масштабе положению ноги оператора, и шагание оператора приводит к ана- логичному движению механической ноги. в шагающих устрой- ствах 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 утом- ляемость человека-оператора, целиком поглощенного решени- ем задачи управления, ограниченные возможности человека как устройства управления, в частности, при осуществлении высоко- скоростных движений. Использование эвМ для управления шагающими машинами позволяет устранить недостатки, свойственные шагающим маши- нам 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 необходи- мой координацией движения ног, приспособляемость к условиям дороги, непрерывное сохранение устойчивого равновесия, мини- мизацию 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 индиви- дуального выходного канала эвМ, координация движений орга- нов перемещения и отдельных звеньев этих органов происходит на уровне эвМ, чем обеспечивается огромная гибкость в осуществле- нии разнообразных способов движения. Перейдем к рассмотрению различных методов построения алго- ритмов управления шагающей машины. Методы теории конечных автоматов.Идеи использования тео- рии конечных автоматов для этих целей впервые появились в ра- ботах [16, 18]. 171 Нога шагающего устройства представляет собой разомкнутую кинематическую цепь, состоящую из нескольких звеньев (суста- вов). Каждый сустав может находиться (по допущению авторов), по крайней мере, в четырех состояниях: свободном (полностью расслабленном), зафиксированном (застопоренном), состоянии опускания или подъема конечности. в связи с этим авторы вклю- чили в систему, воспроизводящую функционирование конечности, силовые элементы, способные принимать указанные выше состоя- ния. Такие силовые элементы названы кибернетическими испол- нительными органами. Таким образом, кибернетический исполни- тельный орган есть элемент комбинационной схемы (элемент без памяти) с двумя двоичными входами и одним непрерывным выхо- дом (табл. 3.1). Таблица 3.1 |