лекция. ММ 18 марта лекция. Системы управления промышленных роботов
 Скачать 140.39 Kb.
|
|
Системы управления промышленных роботов По типу системы управления промышленные роботы делятся на три поколения: программные, адаптивные и интеллектные (с элементами искусственного интеллекта). В роботах первого поколения перепрограммирование производится человеком, после чего промышленный робот действует автоматически, многократно повторяя жестко заданную программу. Во втором поколении программы действия промышленного робота задаются человеком, но сам робот имеет свойство в определенных рамках перепрограммироваться (адаптироваться) в ходе технологического процесса в зависимости от обстановки, которая неточно определена заранее. В третьем поколении задание на работу вводится человеком в более общей форме, а сам промышленный робот имеет возможность принимать решение и планировать свои действия в распознаваемых им неопределенной или меняющейся обстановке, чтобы суметь выполнить заложенное в его память задание. Роботы трех поколений образуют иерархию, основанием которой служат простейшие роботы-автоматы, а вершиной - сложные, эволюционирующие интеллектные роботы. Подобно живым организмам роботы не только развиваются по пути от простого к сложному, не только прошли в своем развитии несколько поколений, но и образовали симбиоз этих поколений, поскольку создание высших поколений роботов не отрицает необходимость в совершенствовании и использовании роботов низших поколений. Структура робота 1-го поколения приведена на рисунке 3. Из сенсорных элементов в этой структуре используются лишь датчики внутренней информации, позволяющие автоматически определять текущее состояние исполнительных устройств. Управление осуществляется управляющим автоматом, который может быть реализован на основе микропроцессорных контроллеров. Программу работы робота задает человек-оператор, и в процессе функционирования робота эта программа не меняется.  Рисунок 3 - Структура робота первого поколения Роботы второго поколения более сложны. Они очувствлены и имеют систему управления, содержащую те элементы искусственного интеллекта, которые необходимы для обработки сенсорной информации и формирования на ее основе управляющих воздействий. Структура робота 2-го поколения показана на рисунке 4. В этой структуре наряду с датчиками внутренней информации используются и датчики внешней информации, позволяющие роботу адекватно реагировать на изменения внешней среды при исполнении заранее заданной программы. Причем в зависимости от состояния датчиков, робот может автоматически выбирать альтернативные ветви основной программы.  Рисунок 4 - Структура робота второго поколения Роботы третьего поколения имеют наиболее развитую структуру, содержащую систему ИИ (рисунок 5). Принципиальное отличие интеллектного робота заключается в том, что он способен автоматически строить модель внешней среды и использовать эту модель для формирования программы своего поведения. Такой робот получает указания весьма общего характера, например: пойти туда-то, взять то-то, перенести туда-то и т. п. Получив подобное задание на естественном языке и расшифровав его в подсистема общения, интеллектный робот самостоятельно планирует траекторию перемещения с учетом имеющихся знаний о внешней среде и тех сведений, которые он оперативно получает через сенсорную систему в процессе выполнения задания. Если при этом встречаются непреодолимые препятствия или другие затруднительные ситуации, система ИИ непосредственно или через систему связи, показанную на рисунке 6, связывается с человеком-оператором, задает ему конкретные вопросы и, получив помощь, снова действует автономно.  Рисунок 5 - Структура робота третьего поколения Очевидно, что для реализации разумного поведения в состав робота наряду с сенсорной, управляющей и эффекторной системами должна входить система, имитирующая интеллект человека. Искусственный интеллект необходим для управления роботом при его автономном функционировании в априори неисследованной внешней среде. Необходим он также и для общения на естественном языке с человеком-оператором, который в общем случае находится на значительном удалении от робота. С учетом отмеченного обстоятельства структуру робота можно представить в виде схемы, показанной на рисунке 6.  Рисунок 6 - Подробная структура робота третьего поколения Эта схема построена в предположении, что управление роботом осуществляется по иерархическому принципу, в соответствии с которым система управления (СУ) реализует тактический уровень, а система искусственного интеллекта (СИИ) воспроизводит стратегический уровень управления. Причем, используя биологическую терминологию, можно считать, что СУ служит аналогом спинного мозга, а СИИ — техническим аналогом высших отделов головного мозга. Система управления робота может быть выполнена в виде специализированного автомата с памятью либо реализована программным способом на основе универсальной ЭВМ. То же самое можно сказать и о системе, искусственного интеллекта. Система связи включает проводной или беспроводной канал передачи информации и на приемном конце также предполагает использование ЭВМ. На экране дисплея этой ЭВМ отображаются ситуации, попадающие в поле зрения робота либо непосредственно, либо в виде модели, которую робот синтезирует автоматически. Наиболее сложной и мало разработанной системой в структуре робота является система искусственного интеллекта (ИИ). Сложность создания системы ИИ связана с тем, что до конца не ясно, как устроен и как функционирует интеллект естественный. Попытки обойти эту проблему привели к разработке роботов, у которых система ИИ отсутствует полностью. Это так называемые роботы первого поколения, предназначенные для работы в исследованной и специально организованной внешней среде. Они лишены не только интеллекта, но и сенсорики. Образно говоря, такие роботы имитируют поведение глухих, слепых и неразумных животных. Разделение роботов на поколения является общепринятой и важной структурной особенностью робототехники. Однако такое разделение не исчерпывает всех классификационных признаков современных роботов. Промышленные роботы агрегатно-модульного типа. Агрегатно-модульный принцип предполагает создание ПР на базе унифицированных узлов, или модулей. Этот метод имеет следующие преимущества: возможность построения специальных и специализированных роботов для конкретной технологической операции, не обладающих избыточностью функций и поэтому более дешевых по сравнению с универсальными роботами; сокращение времени и трудоемкости проектирования специальных роботов, т.к. они создаются на базе унифицированных узлов, номенклатура которых может пополняться; повышение надежности вследствие отработанности входящих в него унифицированных узлов и отсутствия избыточности; удешевление производства роботов вследствие ограниченной номенклатуры деталей и узлов и, следовательно, повышение серийности выпуска; улучшение условий эксплуатации и ремонта роботов, вследствие уменьшения разнообразия конструкций узлов и деталей; сокращение сроков подготовки обслуживающего персонала. Вместе с тем агрегатно-модульный принцип имеет определенные недостатки: отказ в некоторых случаях от более выгодных конструктивных решений в пользу менее выгодных, но соответствующих принципу агрегатного построения; увеличение габаритов и массы конструкции; увеличение числа стыков, что повышает трудоемкость сборки роботов, снижает жесткость и точность. Существуют различные формы реализации принципа агрегатного построения роботов из унифицированных узлов, выполняющих определенные функции. Можно выделить следующие основные принципы классификации при построении групп роботов: вид системы координат, способ установки робота в РТК, специализация, число степеней подвижности, грузоподъемность, тип системы управлении. По специализации и компоновке агрегатно-модульные роботы могут быть условно разделены на две группы: агрегатирование на базе одной принципиальной компоновочной схемы (однотипные роботы); конкретные исполнения роботов различаются размерами и грузоподъемностью, а также характером комплектаций (системами управления, дополнительными модулями и т.п.); агрегатирование, дающее возможность получать несколько различных компоновочных схем (разнотипные роботы), в том числе различающиеся видом системы координат, формой и размерами рабочих зон и другими признаками. По характеру технических показателей агрегатно-модульные роботы могут быть разделены на три группы: с неизменными значениями основных технических показателей, с ограниченным диапазоном и с широким диапазоном основных технических показателей. По типу системы управления различают роботы, комплектуемые системами управления одного типа, различных типов. Унифицированный узел робота – сборочная единица ПР с унифицированными присоединительными размерами и параметрами внешнего сопряжения. Агрегат ПР – совокупность деталей и узлов, образующих механизм, предназначенный для выполнения движений по одной степени подвижности, реализуемых с помощью присоединяемого к нему привода, с унифицированными местами крепления, в том числе крепления приводов. В некоторых случаях агрегат может включать в себя редуктор, передаточный механизм или его часть. Разновидностью агрегатно-модульного принципа построения роботов является модульный принцип. В этом случае роботы проектируют на базе функциональных модулей, включающих все необходимые механизмы, приводы, датчики обратной связи, энергетические и информационные коммуникации, необходимые для работы модуля. Исполнительный модуль – реализует движение робота по одной степени подвижности, включает в себя агрегат, двигатель, редуктор, датчики обратной связи, унифицированные присоединительные размеры и параметры внешнего сопряжения с цепями энергопитания и управления. Модуль-привод преобразует команды, поступающие от устройства управления, в необходимые усилия или крутящий момент. Включает в себя двигатель, редуктор, датчики обратной связи и устройство управления приводом, обеспечивающие требуемые движения звеньев механизмов. Модуль устройства управления – сборочная единица с унифицированными присоединительными размерами, подключаемая в общую схему через унифицированные интерфейсы и выполняющая какие-либо заданные функции (например, процессор, группа плат сопряжения с каналом внешней информации). В последние годы в робототехнике начинают применять мехатронные модули движения и интеллектуальные мехатронные модули. Мехатронный модуль движения (ММД)– конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя управляемый двигатель, механическое и информационное устройство. В состав ММД входит встроенное информационное устройство, включающее датчики обратной связи и информации, а также электронные блоки для обработки и преобразования сигналов. Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) - конструктивно и функционально самостоятельное изделие, построенное путем синергетической интеграции двигательной механической, информационной, электрической и управляющей частей. По сравнению с ММД в конструкцию ИММ дополнительно встраиваются управляющие и электронные устройства: цифровые вычислительные устройства, электронные силовые преобразователи, компьютерные устройства сопряжения и связи. 4.Системы координат промышленных роботов Система координат (СК), или система коорднатных перемещений, ПР определяет кинематику основных движений и форму рабочей зоны (зоны обслуживания манипулятора). Системы координат бывают двух видов: прямоугольные и криволинейные. Плоская прямоугольная СК. Как показано на рисунке 7 объект манипулирования перемещается в одной плоскости за счет 2-х взаимно перпендикулярных направлений.  Рисунок 7 – Плоска прямоугольная СК Пространственная прямоугольная СК. Как показано на рисунке 8 пространственная прямоугольная отличается относительной простотой и целесообразна при прямолинейном перемещении УЗ.  Рисунок 8 - Пространственная прямоугольная СК Плоская полярная СК. Как показано на рисунке 9 перемещение объекта происходит в одной плоскости в направлении радиус-вектора r и угла поворота j:  Рисунок 9 - Плоская полярная СК Цилиндрическая СК. Как показано на рисунке 10 Характеризуется перемещением объекта в основной координатной плоскости в направлениях r и j, а также по нормали к ней z:  Рисунок 10 - Цилиндрическая СК Сферическая (полярная) СК. Как показано на рисунке 11 перемещением объекта манипулирования в пространстве осуществляется за счет линейного движения руки промышленного робота на величину r и ее угловых перемещений j и q в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоские полярные, цилиндрические и сферические перемещения объекта манипулирования являются наиболее распространенными в криволинейной СК. Разновидностью последней являются ангулярная (угловая) плоская и ангулярная пространственная (цилиндрическая или сферическая) СК:  Рисунок 11 - Сферическая (полярная) СК Ангулярная плоская СК. Как показано на рисунке 12 в ангулярной плоской СК объект манипулирования перемещается в координатной плоскости благодаря относительным поворотам звеньев руки М, имеющих постоянную длину:  Рисунок 12 - Ангулярная плоская СК Ангулярная цилиндрическая СК. Как показано на рисунке 13 ангулярная цилиндрическая СК характеризуется дополнительным смещением руки М относительно основной координатной плоскости в направлении перпендикулярной к ней координаты z:  Рисунок 13 - Ангулярная цилиндрическая СК Ангулярная сферическая СК. Как показано на рисунке 14 в ангулярной сферической СК перемещение объекта в пространстве происходит только за счет относительных угловых поворотов звеньев руки М. При этом хотя бы одно звено должно иметь возможность поворота на углы j и q в двух взаимно перпендикулярных плоскостях:  Рисунок 14 - Ангулярная сферическая СК |