Система управления ПР

Кроме исполнительного устройства и информационной системы в состав ПР входит система управления или «мозг» робота, которая в первую очередь и отличает робот от простого средства механизации (например от электрофицированного инструмента). Система управления представляет собой совокупность функционально взаимосвязанных средств обеспечивающих программирование, сохранение программы, ее воспроизведение и передачу управляющих сигналов исполнительным органам. Функциональные возможности робота зависят не только от кинематики исполнительного устройства и возможностей восприятия и переработки информации, но и от способности системы управления целесообразно и эффективно использовать эти возможности. Чем более сложны и богаты по своим функциональным возможностям структурные составляющие ПР (исполнительное устройство и информационная система), тем более сложной и совмещенной должна быть система управления [109, 121, 148]. В общем, термин управление в технике обычно обозначает процесс автоматической реализации совокупности воздействий, прилагаемых к некоторому объекту с целью поддержания его функционирования на заданном уровне или изменения его регулируемых параметров в желаемом направлении. Робот как объект управления представляет собой сложную систему, включающую механическую конструкцию с исполнительными приводами, активно взаимодействующую с внешней (технологической) средой, характеризующуюся совокупностью параметров, изменяющихся во времени. В основу построения системы управления ПР положены некоторые общие принципы управления, справедливые для многих классов технических устройств к которым можно отнести принцип разомкнутого управления, компенсации и обратной связи [138].

В разомкнутых системах управления нет входной информации о фактическом состоянии робота и внешней технологической среде, т. е. не учитывается возможность появления внешних возбуждающих воздействий, способных вызвать всевозможные типы ошибок. Поэтому при роботизации химико-технологических процессов, с использованием данной системы управления, требуется строжайшее соблюдение всех химико-техно-логических условий и постоянство физических характеристик ПР и периферийного сложного оборудования, что вызывает определенные трудности.

Принцип компенсации или управления по возмущению, может использоваться в системах находящихся под влиянием нескольких возмущающих воздействий. С целью компенсирования отклонения регулируемого параметра, вызванного доминирующим возбуждением, в структуру системы управления вводят корректирующее воздействие на регулятор, величина которого пропорциональна величине возмущающего воздействия. Таким образом можно уменьшить влияние доминирующего возмущения на процесс регулирования.

Отличительным признаком систем управления, в которых реализован принцип обратной связи, является измерение фактического значения регулируемого параметра и использование данной информации для формирования закона управления. Последний принцип управления имеет лучшие характеристики, чем предыдущие два.

Это объясняется тем, что. независимо от причин, вызвавших отклонение регулируемого параметра; его величина и знак могут быть оценены и на основе полученной информации осуществить его корректировку, повышающую степень совпадения текущего и требуемого поведения объекта. Поэтому принцип управления с обратной связью осуществляет следящую систему [138], которые нашли в робототехнике наибольшее распространение.

В робототехнике, так же как и в АСУ широко используются три типовых управления пропорциональный, пропорционально-дифференциальный и пропорционально-интегрально- дифференциальный. Для того чтобы система управления соответствовала своему назначению она должна быть способной: перепрограммироваться для выполнения новых технологических операций; хранить введенную программу, без искажений до тех пор, пока ее не заменит оператор; реализовывать алгоритм управления исполнительными механизмами, гарантируя эффективность их функционирования; обеспечить согласованную работу со смежным оборудованием. Как отмечалось выше, в зависимости от сложности выполняемых задач система управления ПР обладает различным уровнем сложности, т. е. фактически имеет иерархическую структуру. В робототехнике пока существуют четыре уровня иерархии: исполнительный, тактический, стратегический и высший (уровень искусственного интеллекта). Иерархическая лестница позволяет судить о возможностях робота, причем подъем на любую следующую ступеньку свидетельствует и о возрастающей интеллектуальности ПР, т. е. последний обладает более высоким уровнем иерархии. Каждому уровню иерархии соответствуют определенные функциональные возможности робота.

Исполнительный уровень – самый нижний на котором система управления ПР обеспечивает управление движением звеньев манипулятора по каждой степени подвижности. На представленном уровне иерархии, как правило, системы реализуют принцип разомкнутого управления, реже – компенсации. В качестве управляющей машины используется программируемые контроллеры или микропроцессорные вычислительные системы.

Тактильный уровень иерархической лестницы реализует принцип уровня с обратной связью. Перемещение робота осуществляется на базе следующих приводов, при этом система управления чаще всего представляет собой микроЭВМ. На тактильном уровне решаются более сложные задачи, такие как расчет параметров движения и траектории манипулятора, восприятие, а также переработка сигналов от простейших средств адаптации и т. д.

На стратегическом уровне в качестве системы управления используется собственная ЭВМ или центральная вычислительная машина (ЦВМ). Зачастую, ПР управляемый данными системами является адаптивным, т.е. в полной мере оснащенными различными системами очувствления. На наивысшем уровне системы управления обеспечивается: создание модели внешней среды с учетом предыдущего опыта работы робота, выбора оптимальных решений, согласно необходимых технологических условий, принятие правильных решений и т. п. Управление на этом уровне осуществляется на базе ЦВМ. Последняя система управления фактически должна имитировать искусственный интеллект ПР.

Таким образом, выше были рассмотрены общие причины построения и функционирования наиболее широко используемых систем управления ПР. Классификация систем управления будет описана в следующей главе. Представленный в этом разделе материал позволит в полной мере выбрать, согласно конкретного химико-технологического процесса, систему управления робота, с целью его успешного функционирования в данном процессе. Заметим, в настоящее время идет интенсивное развитие речевого управления и телеуправления роботами. Интересующиеся данными вопросами могут познакомиться, воспользовавшись следующей литературой [140, 120, 187].

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Промышленный робот представляет сложную техническую систему, состоящую из механических рук-манипуляторов, системы обработки и хранения информации (например, ЭВМ) – «мозг» робота, а также чувствительных (сенсорных) устройств – «органов чувств». Чем сложнее система, тем труднее выбрать единый подход при ее классификации. Из множества критериев классификации ПР рассмотрим основные, которые позволяют охарактеризовать имеющиеся в настоящее время отечественные и зарубежные роботы. По сложности и совершенству информационно- логической системы ПР принято делить на три основных типа, или, используя прочно вошедший в технический обиход термин «поколение», - три поколения: первое – программные, второе – адаптивные, третье – интеллектуальные (интеллектные). В отличие от вычислительной техники эти поколения не сменяют друг друга, а существуют параллельно, развиваясь внутри каждой из них. Поэтому четвертого поколения ПР нет, а искусственный интеллект третьего поколения может развиваться практически неограниченно по мере развития науки и техники, а также возможности использования все новых и новых поколений ЭВМ.

Первое поколение – программные роботы -, имеют управляемые приводы во всех звеньях (суставах), их система управления легко переналаживается на различные операции. После каждой переналадки роботы многократно повторяют одну и ту же жесткую программу в строго определенной последовательности, с определенно расположенными предметами, т.е. ПР осуществляют манипулирование изделиями в строго определенной обстановке. Поэтому для их нормальной работы необходимо организовывать строго регламентированный химико-технологический процесс. Если этого невозможно сделать, тогда данного поколения роботы использовать нецелесообразно, т.к. они не могут самостоятельно (без изменения программы) приспосабливаться к изменению окружающей обстановки. Первого поколения ПР обладают наиболее простым конструктивным исполнением (в сравнении с другими поколениями) и высокой надежностью, легко перепрограммируются, просты в эксплуатации и ремонте. Такие ПР составляют большинство применяемых в народном хозяйстве роботов. Если не удается организовать жесткий, строго регламентированный химико-технологический процесс, в этом случае целесообразнее применять адаптивный ПР.

Второе поколение – адаптивные роботы, т.е. они могут самостоятельно в большей или меньшей мере приспосабливаться к изменению окружающей среды. Для этого их снабжают, во-первых, датчиками очувствления, реагирующими на изменение обстановки. Во-вторых, системой обработки информации от датчиков необходимой для выработки сигналов адаптивного управления, например, для осуществления гибкого изменения траектории движения манипулятора в соответствии с фактической ситуацией. В настоящее время идет бурное развитие данного класса ПР. Это обусловлено, с одной стороны, широкой разработкой и внедрением ГПС гибких производственных систем, а с другой - бурным развитием микроэлектроники и систем очувствления. Для нормальной работы адаптивных ПР не обязательно организовывать строго регламентированный химико-технологический процесс. При этом данного класса роботы обладают более сложным конструктивным исполнением (в сравнении с ПР первого поколения), сложны в наладке, ремонте и обладают более высокой стоимостью.

Третье поколение – интеллектуальные (интеллектные) роботы обладают искусственным интеллектом и предназначены не только и не столько для имитации физических действий человека (как ПР первых двух поколений), сколько для автоматизации его интеллектуальной деятельности. Эти роботы способны понимать язык и вести диалог с человеком, формировать в себе модель внешней среды с той или иной степенью детализации, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия, планировать поведение, строить программные движения исполнительных устройств и осуществлять их надежную отработку. Заметим, что начало нового тысячелетия характеризуется бурным развитием интеллектуальных роботов-игрушек, способных вести в какой-то мере диалог с человеком, понимая и реагируя на его речевые команды, обладая разнообразным типом поведения и способным выполнять обдуманные действия. Нет четкой границы между поколениями ПР. Например, программные ПР, оснащенные датчиками очувствления и системой обработки информации от них переходят в разряд адаптивных с низшим уровнем адаптации.

Промышленные роботы по типу взаимодействия с производственной средой можно классифицировать на два подкласса – по характеру выполняемых работ и степени специализации. По характеру выполняемых работ все ПР подразделяются на четыре группы, имеющие различные производственно-технологические признаки: первая – транспортные ПР – необходимы для осуществления операции связи между рабочими местами, между рабочим местом и складом и т.п., т.е. выполняющие разнородные транспортные операции; вторая – обслуживающие (вспомогательные) ПР – предназначены для автоматизации вспомогательных операций по обслуживанию основного технологического оборудования. Они выполняют действия типа «взять – перенести - положить», т.е. операции установки, снятия предметов обработки, инструмента, оснастки, а также питания транспортеров и другие операции; третья – технологические (исполнительные) ПР предназначены для автоматизации основных химико-технологических операций (например, разделка, нанесение покрытий, герметизация и т.п.). Они непосредственно участвуют в реализации технологического и производственного процессов в качестве производящих или обрабатывающих (формообразующих) машин; четвертая – универсальные ПР – выполняют разнородные технологические операции, т.е. основные и вспомогательные и сочетают в себе признаки перечисленных групп (например, 2-й и 3-й группы, 1-й и 2-й и т.д). Термин «универсальные ПР» характеризует ПР как по характеру выполняемых операций, так и по степени специализации.

По степени специализации ПР различаются на специальные – выполняющие предписанные действия по своему прямому назначению, с конкретной моделью технологического оборудования, т.е. выполняют определенную технологическую операцию или обслуживают конкретную модель технологического оборудования. Специальные – выполняющие операции одного вида, или осуществляющие переходы между определенной группой моделей технологического оборудования; многоцелевые – выполняющие различные вспомогательные или транспортные операции.

Таким образом, мы рассмотрели количественные (специализация) и качественные (характер выполняемых работ) показатели взаимодействия ПР с производственной средой.

ЛЕКЦИЯ № 5

Дата добавления: 2014-01-07