![]() |
Обратная связьТаким образом, совершенно недостаточно, чтобы роботы воспринимали окружающую действительность лишь как пассивные наблюдатели. Не менее важно, чтобы "органы чувств" обеспечивали "обратную связь"; иными словами, с помощью этих органов роботы должны обрести возможность "осознавать", каким образом их действия отражаются на состоянии внешнего мира. (В данном случае под "миром", естественно, понимается лишь та ничтожно малая его часть, с которой взаимодействует робот.) Поскольку концепция обратной связи играет ключевую роль для любой автономной или самоуправляемой системы, например робота, необходимо четко понимать ее суть. Основная идея здесь заключается в том, что функция управляющего органа (мозга животного или компьютера робота) должна состоять не только в формировании и передаче инструкций (в виде нервных импульсов, поступающих на мышцы, или электрических сигналов, идущих к электродвигателю), но и в восприятии и интерпретации тех данных, по которым можно судить о выполнении этих инструкций и о характере их воздействия на объект управления. ![]() Реальна ли возможность использовать роботы для стрижки австралийских овец? В настоящее время исследуются системы с упреждающим принципом действия, которые планируют траекторию движения ножниц и 'прощупывают' кожу под еще не остриженной шерстью Предположим, например, что шофер задним ходом подает грузовик в узкий боковой проезд, руководствуясь указаниями своего помощника, который находится позади машины. Шофер управляет грузовиком (т. е. фактически выдает инструкции его механизмам), поворачивая руль или нажимая в нужные моменты на акселератор и тормоза. А команды, подаваемые помощником, "так держать", "чуть левее", "руль прямо", представляют собой не что иное, как сигналы обратной связи, поскольку помощник имеет возможность наблюдать, приводят ли действия шофера к необходимому результату. Здесь мы имеем дело с так называемой упреждающей информацией, которая содержит сведения не о том, что уже произошло, а "прогноз на будущее"; например, если помощник кричит: "Стоп!", заметив угрозу столкновения с фонарным столбом, то тем самым он предупреждает шофера о возможной аварии. ![]() Ученые из Оксфорда разработали установку дуговой сварки, управляемую датчиками. Получить неразрывный шов путем дуговой сварки можно только при наличии датчиков обратной связи Таким образом, точность и действенность управления достигаются благодаря тому, что информация как бы курсирует по замкнутому контуру: выдаются команды на выполнение определенных действий, а затем - по обратной связи, представляющей собой вторую часть контура,- поступают данные о результатах этих действий. Если говорить о нас, людях, то в основном, когда мы делаем что-то руками, в действии находятся два "контура". Внешняя часть обоих контуров, по которой передаются команды, образована группой нервов (эфферентной системой), осуществляющих передачу сигналов от мозга к мышцам. Данные обратной связи поступают из двух независимых источников. Во-первых, передается информация о положении частей тела, которая формируется посредством так называемой проприорецепции и поступает в мозг через другую группу нервов - афферентную систему, следящую за положением, т. е. степенью напряжения или расслабления мышц руки и кисти, во-вторых, источником информации служат наши глаза, следящие как за движением пальцев рук, так и за положением предмета, которым мы манипулируем. ![]() Стандартный оптический преобразователь угол-код (Sumtak LDA), используемый для контроля положения звеньев робота-манипулятора и формирования сигналов обратной связи, которые необходимы для точного управления последним. Преобразователь угла в цифровой код (внизу слева). Последовательность прозрачных и непрозрачных ячеек на кольцах, образующих кодовый диск, "считывается" фотоэлементами. В результате формируется двоичный код (непрозрачная ячейка - 1; прозрачная - 0), который отображает текущее положение вращающегося вала и поступает в виде сигналов обратной связи на компьютер, управляющий роботом. Чем больше колец в диске (соответственно чем больше количество "кодовых" битов в сообщении), тем выше результирующая точность определения положения. Для наглядности преобразователь угол-код показан как единое целое с шарниром робота; в действительности он представляет собой автономное устройство (см. фото), которое, как правило, монтируется на одном из концов вала или с наружной стороны двигателя. Степень нашей зависимости от обоих названных видов обратной связи можно наглядно проиллюстрировать на двух простых примерах. Если человек будет долго вертеться, то у него закружится голова, он начнет пошатываться и может даже упасть. Причина этого вполне очевидна. Вращательное движение приводит к временному нарушению работы вестибулярного аппарата, который образует проприорецептивную обратную связь, необходимую нам для сохранения равновесия. В рассматриваемом случае человек начинает пошатываться и, возможно, падает вследствие того, что мозг уже не в состоянии определить, что следует делать для поддержания устойчивого, вертикального, положения тела. Подобные неудобства, вызванные отсутствием визуальной обратной связи, мы испытываем, встав среди ночи в незнакомом помещении и пытаясь найти выключатель. ![]() Разрешающая способность и воспроизводимость. Очень существенна точность (или разрешение), с какой робот может определять положение своего рабочего органа, Так, бессмысленно подавать на станок команду, по которой он должен высверливать отверстие с отклонением не более 0.25 мм от заданного положения, если разрешающая способность робота всего лишь 0,5 мм. Не менее важно, с какой точностью робот может повторить перемещение (или последовательность положений), предварительно зарегистрированное в его памяти Большинство современных роботов обладает лишь проприорецептивной системой обратной связи, которая дает информацию о положении звеньев "рук" и "кистей" в шарнирах (а в ряде случаев и о силах, прикладываемых к этим звеньям). Проприорецептивные органы чувств имеют исключительно важное значение для любых роботов, кроме простейших (называемых иногда загрузочно-разгрузочными), движения которых можно ограничивать и направлять с помощью механических упоров или концевых выключателей. Роботу, управляемому программой (заложенной в компьютер), а не с помощью аппаратных средств, необходимы проприорецептивная система и реализуемая с ее помощью обратная связь, поскольку невозможно обеспечить условия, при которых многократное выполнение программы всегда будет давать абсолютно точные результаты. В любой электрической системе присутствуют какие-либо "шумы" или случайные помехи; таким образом, если робот лишен обратной связи, позволяющей ему контролировать свои действия, то, раз сбившись с ритма, он так и не сможет войти в него снова. ![]() Система машинного зрения фирмы GMF за работой. Она способна различать 256 полутонов (или уровней серого), что позволяет ей 'видеть' отверстия в деталях, куда робот должен вставить свой схват Чаще всего для формирования сигналов обратной связи о положении конечностей робота применяется устройство под названием "преобразователь угол-код". Нередко оно используется совместно с электроприводом определенного типа, а именно с шаговым двигателем, вал которого под воздействием импульсных сигналов поворачивается на требуемое число "шагов" в том или ином направлении. После того как шаговый двигатель отработал один из таких сигналов, преобразователь угол-код должен установить новые координаты сочленения, управляемого двигателем, и передать соответствующую информацию на компьютер робота. Это позволит компьютеру определить, соответствует ли реальное положение сочленения координатам, заложенным в его программе: если вал двигателя переместился на шаг больше или меньше, чем необходимо, то компьютер дает команды на корректировку его углового положения. ![]() Манипулятор 'Сейлсбери' оснащен одним из самых совершенных на сегодняшний день захватных приспособлений. Обретут ли роботы когда-нибудь такое обоняние, чтобы ощущать аромат того, что налито в бокал? ![]() Этот схват, оснащенный кремниевыми тактильными датчиками фирмы TDI, показывает, как далеко шагнула робототехника со времени появления первых примитивных загрузочно-разгрузочных машин Точность, с которой такие чувствительные устройства, как преобразователь угол-код, способны измерять положение звена манипулятора, а также четкость его перемещения, обеспечиваемая механизмами привода,- это важнейшие показатели, определяющие "разрешающую способность" и "воспроизводимость" движений робота. Речь идет о том, насколько точно траектория движения руки робота (или его рабочего органа) будет соответствовать вводимой в него новой программе и с какой степенью точности он будет в дальнейшем повторять предусматриваемые такой программой перемещения. Разрешающая способность и воспроизводимость - две основные характеристики, которые определяют эффективность промышленного робота. Для больших установок, применяемых, например, при точечной сварке, достаточна воспроизводимость с точностью полмиллиметра и даже ниже. Однако для менее крупных роботов, которые разработаны за последнее время для предприятий по сборке прецизионных приборов и инструментов, скажем часов, этот показатель достигает нескольких микрометров - твердости "руки" такого робота мог бы позавидовать даже нейрохирург. В проприорецептивной системе робота могут использоваться и другие датчики. Например, к весьма ценным качествам можно было бы отнести способность робота оценивать массу предмета, которым он манипулирует (т. е. фактически переменную массу его манипулятора); с этой целью он измеряет силы, приложенные к различным шарнирам, при разных положениях звеньев манипулятора. Может также возникнуть потребность в определении не самой скорости перемещения манипулятора (которая, конечно, зависит от массы удерживаемых им объектов), а степени его ускорения или замедления. Необходимость подобной информации обусловлена тем, что груз и манипулятор, оперирующий грузом, обладают инерцией и характер их движения зависит от момента приложенных сил. Нельзя допускать, чтобы рука робота "крутилась" в таком же темпе, как боксер на ринге: она будет действовать эффективно только при постепенном наборе скорости и плавном, регулируемом останове по мере приближения к заданной точке. Разные операции выполняются с различными скоростями: например, робот, производящий окраску распылением, должен, по-видимому, изменять темп перемещения, чтобы обеспечить равномерность нанесения краски, а движение робота, переносящего тигли с расплавленным металлом, должно проходить без резких рывков. Таким образом, система управления роботом должна быть, по всей видимости, достаточно сложной и состоять не из одного контура обратной связи, а из нескольких, в которых к тому же имеются собственные обратные связи. Кроме того, каждое звено манипулятора (т. е. каждую степень свободы) необходимо снабдить отдельным набором датчиков и контуров обратной связи, а компьютер, управляющий роботом как системой, должен обеспечить согласованность действий всех сочленений манипулятора. Этого, в частности, можно добиться, передав некоторые функции принятия решений индивидуальным микропроцессорам, позволяющим - под общим управлением центрального компьютера робота - воспринимать и обрабатывать сигналы обратной связи от одного или нескольких шарниров, обеспечивая перемещение в последних согласно заданной программе. Именно такие механизмы управления действуют в природе. У некоторых насекомых в брюшке имеется своего рода вспомогательный "мозг", управляющий движением их конечностей; даже у людей наиболее быстрые реакции, например инстинктивное отдергивание руки при прикосновении к очень горячим предметам, контролируются нервными центрами спинного, а не головного мозга. ![]() Контуры обратной связи. Чтобы осуществлять 'контурное' управление роботом (т. е. обеспечивать его достаточно сложное перемещение с переменной скоростью, а не просто следование кратчайшим маршрутом из 'точки в точку'), в состав органов управления должны входить датчики, контролирующие не только положение каждого звена манипулятора, но и скорость, с которой перемещается манипулятор,- независимо от тоге, движется ли он с ускорением или с замедлением,- а также другие параметры движения. Такая информация 'обратной связи' и ответные команды циркулируют по нескольким замкнутым контурам. Поскольку информация поступает в систему от каждого датчика, образуются своего рода 'контуры в контурах'. Сложность организации подобной системы становится очевидной, если учесть, что такие контуры управления требуются для каждого из шести (или более) шарниров робота, а для координации работы всего комплекса необходим еще один уровень управления |
![]()
|
|||
![]() |
|||||
© ROBOTICSLIB.RU, 2001-2019
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник: http://roboticslib.ru/ 'Робототехника' |