Бригадный подряд роботизации

Идея группового использования роботов и станков с ЧПУ в едином комплексе принадлежит как бы самим роботам. Начиная с самых первых шагов роботизации выяснилось, что замену производственного рабочего роботом в соотношении "один к одному" вряд ли можно оправдать. Роботу такая замена, грубо говоря, "невыгодна", он не сможет "развернуться во всем блеске" на столь узком "пятачке". Идеально, когда удается поручить роботу обслуживание сразу нескольких станков, агрегатов или прессов, претворив разрозненное оборудование в полностью автоматизированный комплекс, работающий по единой, общей программе. Именно в таких технологических комплексах, как показала практика, один промышленный робот высвобождает в среднем двух-трех рабочих, в два-четыре раза повышает производительность, приблизительно вдвое увеличивает использование оборудования, повышает ритмичность и общую культуру производства.

Подобный робототехнологический комплекс - это и есть своеобразный кирпич, или, точнее, пробный камень на стройплощадке полностью роботизированных цехов или даже заводов. Это не просто дальнейшая автоматизация производства, это качественно новый шаг в развитии промышленности. "Ставка на полностью роботизированные технологии оправдана не только как отдаленная перспектива, но и с позиций сегодняшнего дня. Именно этот подход должен быть положен в основу нашей стратегии и тактики в области робототехники", - считает профессор Г. Юревич. Это и решение вопроса о том, как и где наиболее эффективно можно использовать роботы и манипуляторы.

Групповое использование роботов дает определенные выгоды с точки зрения их технического обслуживания, подготовки операторов, обеспечения запасными частями.

Применение бригады роботов дает возможность поднять на высшую ступень дело управления, применить комплексное управление от ЭВМ. Стоимость мини-ЭВМ в пересчете на один робот оказывается не столь уж велика.

В перспективе наиболее выгодными могут стать бригады из роботов, где один очувствленный, или интеллектуальный, будет обслуживать несколько простых, более "глупых" собратьев. Но сначала нужно научить роботов общаться друг с другом.

Групповое использование роботов - своеобразный бригадный подряд роботизации - требует решения таких новых и принципиальных вопросов, как организация идеального их взаимодействия, своеобразная социализация поведения, разработка кибернетической "этики" роботов. Вот где опять интенсивно заработал механизм самопознания человека и человечества!

Конечно, фантасты уже заложили несколько весомых кирпичей в фундамент этики роботов, однако проблемы, которые ставит перед нами жизнь, почти всегда оказываются сложнее любой измысленной ситуации. Жизнь фантастичнее фантастики.

Специфика группового управления роботами состоит, говоря профессиональным языком, "в наличии разнообразных пространственных и временных ограничений на движение отдельных манипуляторов". Пространственных - это значит, что рабочие зоны отдельных рук роботов могут пересекаться. Временных - это значит, что движения рук не произвольны, а упорядочены во времени.

Самым тривиальным вариантом группового управления является управление автономно работающими манипуляторами. Здесь каждый робот совершает не связанные ни в пространстве, ни во времени с другими манипуляторами действия. Задача группового управления здесь сводится к известной проблеме распределения вычислительной мощности управляющего компьютера между несколькими пользователями.

Более сложным вариантом группового управления является наложение только временных взаимных связей на действие манипулятора. В простейших случаях эти связи сводятся к установлению определенной последовательности выполнения каждым манипулятором своей индивидуальной операции. Более сложным случаем является синхронизированная параллельная работа манипуляторов.

Следующим этапом на пути усложнения задачи группового управления является совместное выполнение манипуляторами общей работы, требующей взаимной координации их движений в пространстве общей рабочей зоны (например, сборка одного узла двумя манипуляторами). Возможны разные режимы организации такой совместной работы манипуляторов, имеющие глубокие аналогии с человеческим общением: квазиавтономное управление, иерархическое подчинение и равноправное взаимодействие.

В квазиавтономном режиме общее задание, поручаемое бригаде роботов, стараются разбить на такие операции, каждая из которых могла бы выполняться одним из манипуляторов при учете пространственных и временных ограничений, обеспечивающих взаимную "развязку" движений отдельных роботов.

Другое дело - режим управления с иерархическим подчинением роботов друг другу. Один из роботов является основным - своеобразный бригадир, - а другой работает, оперативно согласовывая с ним все свои движения во времени и пространстве.

Самым высокоорганизованным режимом совместной работы роботов является режим равноправного взаимодействия. Такой режим предполагает оперативный учет движений других манипуляторов при управлении каждым в отдельности. Согласование работы отдельных манипуляторов и роботов обеспечивается как собственными мини-компьютерами роботов, так и центральным компьютером. Возможны три варианта организации управления.

Децентрализованное групповое управление, когда индивидуальные микрокомпьютеры роботов перекрестно связаны друг с другом.

Централизованное управление группой роботов от одного компьютера.

Комбинированное управление, являющееся обобщением двух первых вариантов.

Впрочем, все эти варианты могут быть программно реализованы в одной ЭВМ при условии достаточной ее вычислительной мощности.

Наиболее гибкой и надежной является комбинированная система управления, включающая в себя центральный компьютер и местные управляющие мини-ЭВМ, связанные с центром и между собой. Централизованное управление менее надежно: сломался главный компьютер, и вся система остановилась. Децентрализованное управление свободно от этого недостатка: выход из строя одного компьютера вызывает лишь отключение одного из роботов, остальные, если могут, продолжают работу. Однако в этом случае сложнее изменять алгоритм взаимодействия роботов, так как необходимо изменять структуру имеющихся связей между отдельными управляющими компьютерами роботов.

В идеале весь робототехнический участок, роботизированный цех и целый завод тоже превратятся в единый организм - настолько слаженный и гармоничный, что мы без натяжки могли бы присвоить этому заводу имя "робот". Нужно сказать, что, хотя идеал такого завода еще только брезжит на горизонте промышленного производства, отдельные лучи восходящего светила роботизации уже пробиваются сквозь тучи противоречивых идей и концепций.

Рассмотрим идею завода-робота японской фирмы "Хиточи ЛТД", уже опробованную на цехе механической обработки валов для мощных экскаваторов. Названа эта концепция "интегрированной производственной системой" (здесь английское слово "integrate" обозначает целостное неразрывное единство множественных элементов).

Основа состоит в объединении всего производственного автоматического оборудования в единую эффективно функционирующую систему посредством иерархической системы управления, реализованной с помощью целой сети современных микро-, мини-, средних и больших компьютеров. Эта система ЭВМ позволяет обеспечить организационно-хозяйственное и технологическое управление на основе гибкой интегрированной программы, учитывающей состояние процесса производства.

Такой завод-робот как гигантский айсберг. Его видимая часть - это цех механической обработки валов. Цех, как и любая подобная система, строится, как из кубиков, из набора фундаментальных элементов. Прежде всего он содержит формообразующие элементы технологии. Это разнообразные станки с ЧПУ, обрабатывающие центры и другое подобное оборудование, которое занято созданием изделий; условное название их функции - "изменение формы". Следующий кирпичик - это транспортные средства, занятые "изменением места", здесь разнообразные конвейеры, электрокары, краны-штабелеры. Кроме изменения места, необходимо осуществлять "изменение позиции". Это сфера эффективного приложения манипуляторов всех видов и поколений, они осуществляют операции переноса, изменения положения, компоновки и сборки. И наконец, то, что формально называется "изменением времени". Сюда относятся разнообразные средства хранения, начиная от питателей, стеллажей и поддонов и кончая автоматизированными многоярусными складами заготовок и готовой продукции.

Есть еще хитрая иерархия электронных средств управления. Каждая единица производственного оборудования - будь то станок, робот или производственная тележка - имеет свой мозг или, на худой конец, мозжечок, а именно: микропроцессор или микрокомпьютер. Эти "мозги" соединены с помощью специальных каналов передачи информации с более мощными мини-компьютерами цехового уровня. Каждый такой мини-компьютер - "начальник цеха", обеспечивает работу целой группы оборудования, начиная от цехов механической обработки и сборки и кончая автоматизированными испытательными средствами и складами. Все мини-компьютеры объединены между собой быстродействующей связью, обеспечивающей оперативную передачу управляющих данных. И наконец, центральный компьютер, к которому подключены все мини-компьютеры цехов через так называемый "модем". Так и хочется назвать его центральной нервной системой этого организма.

Это то, что можно увидеть на таком заводе-роботе "невооруженным" взглядом. Невидимая же часть айсберга - это мощная, распределенная иерархическая система управления.

Первый уровень управления - управление роботами, станками и элементами транспортной системы. Система действует в полном соответствии с теми принципами, которые мы рассматривали в предыдущих главах этой книги. При выполнении элементарных операций эти единицы оборудования работают как бы квазине-зависимо, псевдоавтономно.

Заводы-роботы 'придумывают' новые виды продукции и 'продумывают' технологию их изготовления

Однако в тех случаях, когда они входят во взаимодействие друг с другом, такие вопросы решаются с помощью третейского суда - мини-компьютера более высокого - второго - уровня. Этот мини-компьютер участка или цеха осуществляет обработку всей информации по управлению вверенным ему производством. Он не только планирует работу цеха и контролирует ход выполнения планов, но и осуществляет групповое программно-распределительное (супервизорное) управление промышленными роботами и другим оборудованием. Именно этот компьютер - "начальник цеха" - принимает от роботов рапорты о выполнении тех или иных производственных операций, сообщения о сбоях и поломках, молниеносно принимает решения, назначает следующую операцию по каждому оборудованию в соответствии с имеющимся планом, блокирует неисправные участки и станки, перераспределяет их функции между другими (соседними) роботами и станками, а в случае необходимости составляет и редактирует новые программы управления роботами и станками с ЧПУ.

Но и этот мощный набор функций бледнеет перед обязанностями центрального компьютера (третий уровень), который занимается вопросами организационно-хозяйственного управления производством. Это он реализует выработку графиков загрузки оборудования.

"Мозг" этого "мозга" - математическое обеспечение системного управления - есть не что иное, как комплекс программ, что-то вроде операционной системы, реализующей управление всеми задачами системы: управление материально-производственными запасами (складами), управление станками, управление роботами, управление человеко-машинной связью, календарное, оперативное планирование и т. п. А над всем этим парит на недосягаемой высоте система автоматизации проектирования и технологической подготовки производства. Это интеллект завода-робота, который "придумывает" новые виды продукции и "продумывает" технологию их изготовления. Такой завод можно смело назвать не только роботом, но и введенным нами для роботов-интеллектуалов именем - кибер.

Какие же черты именно кибера проглядывают в этом заводе-роботе? Эффекторами его являются отдельные станки, роботы и транспорт, воздействующие на производственную окружающую среду. Рецепторы же этого кибера - все те же роботы и станки, их собственные органы чувств, а также их сообщения об окончании отработки отдельных команд операций и целых программ, и наконец, сообщения о сбоях, выходе из строя, ошибках адресации и т. п. Проблема с поиском интеллектуального мозга этого кибера решается просто - им будет центральный компьютер, имеющий связь с оператором - "директором" завода. Что касается целесообразного поведения этого кибера на рефлекторном, или же адаптивном, уровне, то степень его интеллектуальности как бы делит возможные конструкции таких заводов на три возрастающих уровня мощности интеллекта, которые удобно представить в виде привычного нам деления поколений.

Обучаемый принцип управления завода-робота первого поколения аналогичен принципу обучения и управления простого робота первого поколения. При переходе к выпуску новых видов продукции квалифицированные операторы осуществляют индивидуальное программирование роботов, станков с ЧПУ, транспорта, склада и т. д.

Управление с обратной связью завода-робота второго поколения обеспечивает не только оперативное реагирование с перестройкой технологического цикла при всевозможных сбоях и поломках, но и централизованное перепрограммирование роботов, станков и прочих элементов технологии с помощью перераспределения заранее заданных и хранящихся в компьютерной памяти программ. Это своеобразный аналог принципа "ситуация - реакция". Разумеется, при переходе к совершенно новым изделиям нужно добавлять недостающие программы, то есть расширять набор классов ситуаций.

Адаптивное интеллектуальное управление заводом-роботом третьего поколения обеспечивает, кроме всего вышеперечисленного, автоматический переход к выпуску новой продукции. Он осуществляется путем выдачи задания подсистеме проектирования и технологической подготовки производства. Она, в свою очередь, не только проектирует новое изделие и технологию его изготовления, но и создает программы непосредственного управления всеми производственными элементами: роботами, станками, транспортными системами, системами изготовления и замены инструментов, автоматическими хранилищами и т. д. и т. п.