ГончаровУстройство роботов
 Скачать 368.21 Kb.
|
|
Лекция 1: “Устройство роботов. Основные подсистемы Гончаров Олег Игоревич Факультет вычислительной математики и кибернетики, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова 2012 Гончаров Устройство роботов Робот Робототехника — прикладная наука, изучающая вопросы создания и применения роботов и различных стредств автоматизации. Робот — универсальный автомат для осуществления механических действий, подобных тем, которые осуществляет человек, выполняющий физическую работу 1 Отличительные черты: универсальность, автономность, взаимодействие с внешней средой. Конструкция роботов сильно различается в зависимости от назначения. 1 Юревич Е.И. Основы робототехники. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. Гончаров Устройство роботов Функциональная схема робота Система управления Привод Привод Механическая система манипулятора Механическая система передвижения Внешняя среда Сенсорная система Оператор Исполнительная система Информационно-управляющая система Датчики В реальных системах некоторые блоки могут отсутствовать. Гончаров Устройство роботов Манипуляционные системы Последовательный манипулятор — пространственный механизм в виде кинематической цепи из звеньев, образующих пары с угловым или поступательным движением, и системы приводов, оканчивающийся исполнительным органом. С точки зрения механики, манипулятор — система твердых тел с идеальными голономными связями. Число степеней свободы: обычно 3 + 3 = 6. Рабочая зона — область пространства, куда может быть позиционироваться исполнительный орган. Типы сочленений: поступательная или вращательная степень подвижности. Каждое сочленение снабжается приводом и датчиком позиции. Гончаров Устройство роботов Классификация манипуляторов по грузоподъемности : максимальная нагрузка; по быстродействию : допустимые скорости и ускорения; по точности : точность позиционирования, разрешение, повторяемость; по конструкции (форме рабочей зоны) : ◮ с прямоугольной системой координат (3 пост.), ◮ с цилиндрической системой координат (1 вр., 2 пост.), ◮ со сферической системой координат (2 вр., 1 пост.), ◮ с угловой системой координат (3 вр.). Выбор зависит от характера совершаемых движений. Гончаров Устройство роботов Проблемы конструирования манипуляторов Противоречия между требованиями: грузоподъемность : прочность конструкции, мощность приводов ⇒ рост массы и инерции. быстродействие : требует снижение массы и инерции, увеличение мощности приводов ⇒ уменьшение жесткости и прочности. точность : жесткость конструкции, отсутствие люфта в сочленениях ⇒ рост массы, рост трения в сочленениях. Пути решения: приводы с высокой удельной мощностью, вынос приводов из сочленений, противовесы, пружины, использование легких сплавов и композитов, совершенствование системы управления (компенсация гибкости, колебаний, инерции и т.п.). Итог: рост стоимости, разработка под требование конкретных приложений. Гончаров Устройство роботов Система передвижения Обеспечивает передвижение робота в пространстве. Представлена только в мобильных роботах. Классификация по среде: наземные, воздушные, водные, подводные, космические и т.п. Колесные системы передвижения . Просты, удобны в управлении, самые распространенные. Перемещение внутри зданий, по дорогам. Гусеничные . Аналог колесных с большей степенью проходимости. Шагающие . Теоретически обладает наибольшей проходимостью. Сложная механическая система и система управления. Воздушные . БЛА. Часто дистанционное управление. Подводные . Дистанционно управляемые подводные роботы. Гончаров Устройство роботов Исполнительный орган Схват — механической устройство для захвата объектов: ◮ простейшие двухпальцевые схваты, ◮ аналоги человеческой кисти: 3 и больше пальцев с большим числом степеней подвижности, ◮ специализированные схваты: присоски, захват листовых материалов и т.п. Часто снабжаются различными датчиками. Рабочий инструмент . Предназначен для исполнения технологической операции: сварка, резка, покраска и т.п. Гончаров Устройство роботов Сенсорная система Датчик ( первичный преобразователь ) — устройство преобразующее контролируемую величину в удобную для дальнейшей обработки форму. Характеристики: точность, разрешение, наличие шума. Классификация: по измеряемой величине, по физическому принципам. Для робототехники возможна следующая классификация: Системы определяющие положение робота в пространстве, его ориентацию, позу, параметры движения, усилия в исполнительной системе робота, силы взаимодействия со внешними объектами. Системы определяющие отдельные физико-химические свойства внешней среды. Системы, дающие общую картину окружающей среды. Гончаров Устройство роботов Датчики Первая группа Системы определяющие положение робота в пространстве, его ориентацию, позу, параметры движения, усилия в исполнительной системе робота, силы взаимодействия со внешними объектами. Назначение: получение информации для управления движением и силовым взаимодействием робота с внешней средой. Датчики перемещения (абсолютные и относительные): угол между звеньями манипулятора, угол поворота колес и т.п. Датчики скорости: скорость вращения колес. Гироскопы: угловые скорости. Акселерометры: ускорение. Датчики усилия: усилия приводов, сила реакции внешней среды. Навигационные системы: спутниковые, инерциальные. Гончаров Устройство роботов Датчики Вторая группа Системы определяющие отдельные физико-химические свойства внешней среды. Назначение: получение информации о внешней среде, простота обработки и однозначность интерпретации. Датчики положения: наличие или отсутствие объекта (контактные, бесконтактные). Бесконтактные часто основаны на основе оптической паре: светодиод и фототранзистор. Дальномеры: сонары, лазерные дальномерыю Звуковые датчики. Датчики света и освещенности. Температура, влажность, сопротивление и т.п. Гончаров Устройство роботов Датчики Третья группа Системы, дающие общую картину окружающей среды. Назначение: получение наиболее полного объема информации о внешней среде, сложности с обработкой и интерпретацией. Видеокамеры. Пространственные сканеры (лазерный дальномер, сканирующий некоторый растр). Тепловизоры. “Искусственная кожа”(?). Гончаров Устройство роботов Проблемы обработки информации с датчиков Неправильные измерения, шумы. Объединение нескольких измерений: ◮ с разных датчиков ◮ в разные моменты времени Обработка больших объемов информации, выделение нужной информации. Пути решения: Дублирование элементов сенсорной системы. Фильтрация (в т.ч. фильтры Байеса и Калмана): подавление шума и объединение показаний. Методы ИИ ∗ на уровне системы управления: распознавание объектов, машинное обучение. Гончаров Устройство роботов Приводы Привод — устройство для приведения в действие машин. Устройство привода: 1 двигатель преобразует энергию в механическую энергию, 2 трансмиссия передает механическую энергию, изменение характера движения (вращательное, поступательное), 3 система управления обеспечивает работу привода, возможно, требуются датчики: перемещения, скорости, силы тока, усилия и т.п. Классификация по управляющему воздействию: Сервоприводы : СУ с обратной связью, ОС замыкается по ◮ позиции, ◮ скорости, ◮ усилию Приводы с открытым контуром : СУ выполняет преобразование и усиление входного сигнала Гончаров Устройство роботов Требования к приводам К двигателю и трансмиссии: ◮ Хорошие массо-габаритные показатели, малая инерция. ◮ Высокая удельная мощность. ◮ Нужные диапазоны момент, скорость. ◮ Точность, отсутствие неопределенности (люфт, сила трения, жесткость трансмиссии). К системе управления приводом: ◮ надлежащее качество переходных процессов, ◮ настройка и установка ограничений ∗ (скорости, перемещения), ◮ простота сопряжение с другими системами ∗ Широко используются цифровые системы управления с широтно-импульсной модуляцией. Возможна рекуперация энергии при торможении. Гончаров Устройство роботов Типы приводов Пневматические приводы Принцип работы: давление сжатого воздуха. Устройство: пневмоцилиндр (стопоры с демпферами, ограничители скорости), распределительная система (клапаны), источник сжатого воздуха. Особенности: Простота и дешевизна. Относительно малая грузоподъемность. Проблемы с произвольным позиционированием. Обычно дискретное цикловое управление. Гончаров Устройство роботов Типы приводов Гидравлические Принцип работы: давление жидкости. Устройство: гидроцилиндр, распределительная система, станция питания: компрессор, охлаждение, расширительный бак, фильтры. Особенности: Сложны и дороги. Большая грузоподъемность, могут развивать значительные усилия. Точное позиционирование. Обычно непрерывное управление (по скорости или позиции). Гончаров Устройство роботов Типы приводов Электрические Принцип работы: электро-магнитные силы. Устройство: сильно различается: индуктор (статор, неподвижная часть) с обмотками или постоянными магнитами, якорь (ротор, подвижная часть) с обмотками или постоянными магнитами, коммутационная система (механическая, электронная или отсутствует), возможно также тормоз, система охлаждения и т.п. Особенности: Удобство управления и эксплуатации. Потребляют энергию в статике, плохие∗ массо-габаритные характеристики. Точное позиционирование. Могут использоваться в составе различных систем управления. Большое число различных типов. Гончаров Устройство роботов Типы электрических приводов Электрические двигатели постоянного тока ( ЭДП ): линейная модель, удобство управления ◮ коллекторные: механическое коммутирующее устройство, ◮ коллекторные с облегченным якорем (coreless, ironless): меньше инерция, ◮ бесколлекторные, вентильные: электронная коммутация и управление. Асинхронные : тяговые двигатели, высокий КПД. Шаговые : использование без ОС, Линейные двигатели Гончаров Устройство роботов Типы приводов Комбинированные приводы Микроприводы : ◮ пьезоэлектрические, ◮ микромеханика. Искусственные мышцы : ◮ пневматические (пневмоцилиндр заменяется эластичной трубкой), ◮ эффект памяти формы метала (никелид титана), ◮ электоактивные полимеры (перераспределение зарядов в полимерах заставляет их изгибаться). Гончаров Устройство роботов Информационно-управляющая система Осуществляет автоматическое управление исполнительной системой робота (возможно и еще каким-то подключенным оборудованием). Программные . Робот выполняет жестко запрограммированную последовательность действий. Адаптивные . Система управления получает информацию о внешней среде и может на ее основе изменять свое поведение. Интеллектуальные . Адаптивные системы, использующие методы искусственного интеллекта. Гончаров Устройство роботов Информационно-управляющая система Аппаратная база современных СУ: микроконтроллеры и компьютеры. Т.е. доминируют цифровые СУ, ранее могли использоваться аналоговые. Программное обеспечение: (входит в состав СУ). ◮ Библиотеки для отдельных компонент роботов. ◮ Средства для построения систем управления роботами. Компонентно-ориентированное программирование. ◮ Специализированное ПО для управления промышленными роботами (в т.ч. и специализированные языки программирования). ◮ Средства построения интеллектуальных систем управления: зрение, распознавание, обучение. Вспомогательные средства: (не входят в СУ, используются при ее создании) ◮ ПО для поддержки проектирования роботов. ◮ ПО для синтеза и моделирования систем управления. ◮ ПО для моделирования на различных уровнях: механическая система, приводы, робот, робот во внешней среде. Гончаров Устройство роботов Особенности СУ роботов Работа в реальном времени с динамически меняющейся средой: ◮ Периодические события: управления приводами и движением, снятие данных с датчиков, построение модели среды и т.п. ◮ Асинхронное взаимодействие: реакция на внешние события. ◮ Разный масштаб времени для разных задач. Принцип иерархичности : верхние уровни управления работают все с более абстрактным представлением внешнего мира. Принцип декомпозиции и инкапсуляции : система представляет собой набор взаимодействующих компонент: ◮ клиент-север, ◮ издатель-подписчик (наблюдатель). Разные уровни системы могут быть выполнены с использованием различных парадигм программирования. Гончаров Устройство роботов Функциональная схема системы управления (Юревич) Гончаров Устройство роботов Трехуровневая схема системы управления Sense-Plan-Act (робот Shakey): большинство обратных связей замкнуты через верхний уровень. Subsumption (Brooks): обратные связи замкнуты на каждом уровне, более высокие уровни обеспечивают сложное поведение. Трехровневая модель (Firby,Bonasso) — результат слияния этих подходов. Гончаров Устройство роботов Трехуровневая схема системы управления 1 Примитивы поведения (Behavioral Control): набор алгоритмов для выполнения конкретных действий. ◮ Ситуационность: действуют только в конкпетных условиях. ◮ Способны определить выход за условия применимости. ◮ Обеспечиавают быструю реакцию на события. 2 Исполнение (Executive): транслирует высокоуровневую задачу в последовательность вызовов примитивов поведения ◮ Учитывает связи между низкоуровневыми задачами: деревья задач (task tree). ◮ Часто используются конечные автоматы. ◮ Обработка исключений. 3 Планирование (Planning): определение долговременных целей, планирование распеределения времени. ◮ на основе зависимостей меду задачами. ◮ на основе временных ограничений. Гончаров Устройство роботов Человек в системе управления Человек может вмешиваться в ход рабоиты системы на любом уровне. Копирующие манипуляторы, непосредственное управление приводами. Задание движения или взаимодействия Активация заданного алгоритма действий. Работа в режиме супервзора: человек следит за работой системы, вмешивается на уровне планирования. Гончаров Устройство роботов Групповое управление Групповое управление — совместное связанное управление несколькими объектами. Уровни: несколько приводов одного робота, несколько манипуляторов, несколько роботов, несколько роботов и др. оборудование. Гончаров Устройство роботов Парадигмы группового управления Цеентрализованное . Единый центр управления и планирования. ◮ Возможность поиска оптимального решения. ◮ Сложно с большим числом роботов. ◮ Уязвимо при повреждении центра. Децентрализованное . Роботы взаимодействуют в достижении одной цели. ◮ Отказоустойчивость. ◮ Масштабируемость, позволяет преодолевать ограничения связи. Общее решение иерархическая централизованно-децентрализованная система. Гончаров Устройство роботов |