10.4. Управление роботами с обучением с помощью вычислительных машин

1) Общие сведения об управлении с помощью вычислительной машины. Работа, которая обычно поручается роботам с обучением, ограничена комбинацией нескольких видов сравнительно простых основных операций и "их повторением. Этим, видимо, и объясняется нежелание использовать для управления роботами вычислительные машины. Действительно, среди предлагаемых потребителям роботов не найти таких, в которых для управления использовались бы вычислительные машины.

Однако такие требования, как обеспечение высокой универсальности и простота обучения, удовлетворяются современными роботами в недостаточной степени. Удовлетворению этих требований и должно служить внедрение вычислительных машин в управление роботами. Основными целями такого внедрения являются:

1. повышение универсальности роботов;
2. упрощение и облегчение программирования;
3. использование управляющих устройств для группового управления роботами;
4. включение роботов в технологические комплексы, управляемые от вычислительных машин.

Нечего и говорить, что универсальность (п. 1) и простота программирования (п. 2) являются необходимыми условиями, которым должны удовлетворять роботы. Существуют два способа повышения универсальности робота: увеличение объема памяти и обеспечение возможности изменения содержания памяти. В первом случае в память робота стараются ввести как можно больше видов выполняемых операций и при воспроизведении выбирают те из них, которые соответствуют содержанию работ. Во втором случае пользуются возможностью изменять заданные значения параметров, таблицы с описанием комбинаций программ и последовательности воспроизведения информации.

Для выполнения роботом необходимых операций обычно в той или иной степени требуется обучение или управление со стороны человека-оператора. Важной задачей при этом является облегчение общения человека с роботом при помощи внешних устройств. Робот тем больше отвечает своему назначению, чем меньше он нуждается во вмешательстве человека. Можно утверждать, что использование вычислительных машин играет очень большую роль как для обеспечения универсальности роботов, так и для управления ими.

Использование управляющих устройств для группового управления роботами (п. 3) также становится возможным благодаря применению вычислительных машин. Групповое управление роботами бывает двух видов: с одинаковыми операциями и с различными операциями. В первом случае несколько роботов выполняют одинаковые операции; при этом устройство памяти ЭВМ находится как бы в коллективном пользовании всех роботов. Во втором случае несколько роботов одновременно выполняют различные операции и управляющая ими вычислительная машина работает в режиме разделения времени.

ЭВМ уже используются для управления крупными производственными системами и складами. Применение роботов в таких комплексах возможно только при условии управления роботами с помощью вычислительных машин, что соответствует п. 4 перечисленных выше целей внедрения ЭВМ.

С этих точек зрения ниже будут рассмотрены следующие четыре вопроса:

1. управление отдельными роботами;
2. управление группой роботов;
3. управление системой, в которой используются роботы;
4. использование мини-ЭВМ.

2) Управление отдельными роботами. Прежде чем рассматривать управление с помощью ЭВМ группой роботов, объединенных в единую систему, следует разобраться в вопросах управления с помощью ЭВМ одним роботом. Если робот является единственным объектом управления, его можно рассматривать как систему, имеющую два входа и один выход. Входами являются: а) команды, подаваемые оператором, и б) информация от сенсорных устройств. Выходом системы являются выполняемые роботом операции. Рассматриваемый здесь в качестве объекта робот с обучением оснащен сенсорными устройствами простейшего типа. Сведения о сенсорных устройствах приведены в п. 4в разд. 10.3 и п. 3 разд. 10.4. Здесь же мы попытаемся классифицировать управление роботами с помощью ЭВМ с точки зрения используемых для этого языков программирования. Но прежде укажем общую классификацию методов обучения роботов, управляемых с помощью ЭВМ.

Имеются два основных метода:

1) метод непосредственного обучения параметрам;

2) метод расчета параметров.

В первом случае роботу указываются координаты всех точек, через которые должен перемещаться схват, и ЭВМ, по существу, используется только как запоминающее устройство. Такой метод может быть реализован как прямым обучением с помощью рукояток управления, так и вводом данных на перфокарты или перфоленты, т. е. косвенным путем (см. п. 3 разд. 10.3).

Во втором случае характер движения рассчитывается самим роботом. Например, оператор подает команду о перемещении руки робота из точки А в точку В, а робот на основе заранее заданных алгоритмов определяет траекторию перемещения между этими точками. К этой категории относятся, например, роботы, определяющие параметры движения на основе измерения простейших свойств объектов (габариты, вес и т. д.).

Преимущество метода расчета параметров состоит в том, что при этом сокращается объем команд, подаваемых оператором, и до некоторой степени создается возможность адаптации робота к окружающей обстановке.

При управлении роботом с помощью вычислительной машины важно оперировать с таким языком программирования, которым легко пользоваться. Языки программирования можно классифицировать следующим образом:

1. форма последовательных команд;
2. форма ориентированных команд;
3. форма общих команд;
4. форма учебных команд.

Формы команд 3 и 4 относятся к "интеллектуальным роботам", т. е. к роботам более высокого класса, чем обычные роботы с обучением, управляемые от ЭВМ. Формы команд в классификации приведены в порядке повышения класса роботов, в которых эти формы находят применение.

1) Форма последовательных команд составляет основу управления роботами с помощью ЭВМ. Программа составляется отдельными шагами, каждый из которых включает единичную операцию. В процессе эксплуатации робота составление программы связано со значительными трудностями.

2) Форма ориентированных команд требует хорошо налаженного общения между человеком и машиной. Единичные операции, выполняемые роботом, сводятся в библиотеку подпрограмм. По этой причине объем рабочих программ сокращается, поскольку отпадает необходимость в их детализации. С увеличением библиотеки подпрограмм становится возможным просто программировать многие виды операций. Количество шагов программы для сложных операций существенно сокращается.

3) Форма общих команд соответствует такому методу программирования, при котором оператор только в общих чертах сообщает роботу цель операции, а решения о последовательности действий и по ряду других вопросов робот принимает самостоятельно.

4) Форма учебных команд соответствует такому методу программирования, при котором конкретное содержание операции определяется по информации распознавания и результатам предыдущих операций.

В простейшем виде подобный метод уже используется в роботах с обучением, наделенных свойствами адаптации к окружающей обстановке. Более подробно вопросы, относящиеся к методам программирования, рассматриваются в разделах, посвященных методам управления с помощью ЭВМ, сенсорным устройствам и содержанию операций.

3) Управление группой роботов. Здесь имеется в виду управление несколькими роботами с помощью одной ЭВМ. С целью повышения эффективности использования ЭВМ для управления роботами, выполняющими сравнительно простые операции, целесообразно использовать ЭВМ с ограниченным объемом памяти.

При управлении группой роботов имеются системы с одинаковыми операциями и системы с различными операциями. Системы с одинаковыми операциями - это системы, в которых содержание операций у группы роботов одинаково. Их в свою очередь можно подразделить на системы с одновременным и с раздельным выполнением операций. В первом случае роботы, управляемые ЭВМ, выполняют одинаковые операции одновременно. Во втором случае при одинаковом содержании операций время их выполнения различными роботами не совпадает.

При групповом управлении вычислительная машина обычно работает в режиме разделения времени. При таком методе управления серьезными вопросами являются выбор временных интервалов и установление приоритета при воспроизведении программы. При управлении в реальном масштабе времени иногда для некоторых операций временные интервалы недопустимы; в этом случае вопрос приоритета требует особого внимания. Существует мнение, что при десятиминутном интервале в выполнении операций между отдельными роботами число роботов, управляемых одной ЭВМ по методу разделения времени, может достигать нескольких десятков.

4) Управление системой, в которой используются роботы. В высокоэффективных производственных системах большая роль отводится электронным вычислителыным машинам, применяемым для контроля за ходом производства. Такие ЭВМ широко используются также для взаимного согласования всех технологических процессов в поточном производстве, для контроля складских запасов и т. д. Естественно, что при введении робота в такую производственную систему необходимо, чтобы он обладал способностью функционировать под контролем центральной ЭВМ.

Управление самим роботом осуществляется от вычислительной машины, как описано в предыдущем разделе, на центральную же ЭВМ возлагается только контроль за его работой. Можно предположить, что в дальнейшем ЭВМ контроля, как источники дополнительной информации, найдут широкое применение в производственных и складских системах.

5) Применение мини-ЭВМ. Для управления роботами с обучением, в том числе наделенными простейшими свойствами адаптации к окружающей обстановке, удобно использовать вычислительные устройства в виде мини-ЭВМ. Робот с обучением не имеет функции распознавания, поэтому объем необходимых вычислений в этом случае невелик. Существует мнение, что если ЭВМ имеет объем памяти 4-8 тысяч слов, ее можно использовать для управления несколькими десятками роботов.

Можно предположить, что с расширением возможностей использования мини-ЭВМ в различных областях их применение станет более доступным, и не в последнюю очередь по причине снижения их стоимости. Вообще снижение стоимости роботов - один из важных факторов, способствующих их внедрению в промышленность. С этой точки зрения существенным оказывается и использование недорогих ЭВМ для управления группами роботов.