Роботы-автоматы

В автоматических режимах могут действовать как манипуляционные роботы, так и информационные, мобильные (движущиеся) и другие [5, 6]. Мы рассмотрим лишь первые из них.

Класс манипуляционных роботов, действующих автоматически, характеризуется тем, что робот состоит из многозвенного манипулятора с приводами в сочленениях (суставах) и автоматической системы управления, включающей различные измерительные датчики, устройства обработки информации, управляющие устройства. Звенья манипулятора соединены друг с другом либо поворотными шарнирами, либо поступательными (телескопическими) направляющими. В первом случае манипулятор может иметь так называемую антропоморфную кинематическую схему, если в нем, как в человеческой руке, все звенья имеют лишь вращательные перемещения друг относительно друга. В манипуляторах современных промышленных роботов чаще применяются неантропоморфные кинематические схемы, где некоторые соединения звеньев шарнирные, а некоторые - телескопические, т. е. отдельные звенья могут поступательно выдвигаться, удлиняя или укорачивая руку робота. Одним концом манипулятор крепится к корпусу робота (плечевой сустав), а на втором свободном конце (кистевой сустав) устанавливается схват или какой-либо инструмент.

Взаимные перемещения звеньев манипулятора производятся с помощью управляемых приводов - электрических, гидравлических или пневматических. Автоматическая система управления должна обеспечить согласованное движение приводов во всех сочленениях таким образом, чтобы концевая точка манипулятора получила определенное целенаправленное перемещение в рабочем пространстве, а схват или инструмент - определенную угловую ориентацию для совершения рабочей операции. Чтобы попасть в любую точку рабочего пространства, необходимо обеспечить три степени свободы движения манипулятора. Еще три степени свободы нужны, чтобы дать схвату любую угловую ориентацию в этой точке. Следовательно, в общем случае требуется, чтобы манипулятор обладал кинематической схемой с шестью степенями подвижности.

Такой манипулятор универсален: подобно человеческой руке он способен совершать любые манипуляционные операции в определенном рабочем пространстве. Однако во многих случаях такой универсальности не требуется и достаточно трех - пяти степеней подвижности. В других случаях, наоборот, требуется большее число степеней подвижности - семь - девять. Такая избыточность нужна манипулятору, чтобы достигнуть любой точки пространства с любой ориентацией схвата при разных конфигурациях относительного положения звеньев, например при наличии в рабочем пространстве препятствий, которые рука робота должна по-разному огибать.

Различают три вида автоматических систем управления роботов: а) программные, б) адаптивные, в) интеллектные. Это соответствует трем поколениям роботов. Заметим, что здесь поколения, в отличие от поколений, например, вычислительной техники, не сменяют друг друга, а существуют параллельно и совершенствуются непрерывно каждый внутри своего вида. Поэтому не возникнет четвертого поколения, ибо искусственный интеллект третьего будет неограниченно развиваться по мере общего развития науки и технических средств.

Развитие от одного вида автоматической системы робота к другой идет по иерархическому принципу. В первом случае (а) система управления действует по жестко заданной программе, которая может, однако, быть легко перестроена на любой комплекс манипуляционных технологических операций в пределах возможностей данного робота. Но после каждой настройки робот многократно повторяет одну и ту же жестко запрограммированную операцию. Все эти программы могут быть реализованы либо в управляющей ЭВМ, входящей в состав системы управления робота, либо в специальном программном устройстве. В данном случае система управления роботом имеет два иерархических уровня - исполнительный (управляемые приводы манипулятора) и управляющий. В задачу последнего входит формирование и распределение сигналов управления на все приводы таким образом, чтобы конец манипулятора (со схватом или инструментом) получил требуемое по программе движение.

Второй вид (б) автоматической системы управления (второе поколение роботов) - адаптивная система - обладает уже двумя управляющими уровнями над прежним исполнительным - тактическим и стратегическим. Роль последнего состоит в восприятии обстановки в рабочем пространстве, приспособляемости (адаптации) к ней и планировании операций, например, путем выбора подходящих программ из имеющегося в управляющей ЭВМ набора программ для разных элементарных операций, из которых составляется нужная по обстановке технологическая операция в целом. Таким образом, на стратегическом уровне в адаптивной системе осуществляется гибкое программирование операции - приспособление к обстановке в рабочем пространстве. Затем нижестоящий тактический уровень выполняет, как и в системе программного управления, формирование и распределение сигналов управления на все приводы манипулятора для осуществления заданной со стратегического уровня программы.

В адаптивной системе имеются еще средства очувствления, состоящие из датчиков (тактильных, локационных и др.), устанавливаемых на манипуляторе (обычно на его схвате), и из системы обработки информации от этих датчиков. Полученная информация выводится на стратегический уровень управления, который с помощью такой сенсорной системы получает возможность воспринимать обстановку и приспосабливаться к ней. На каждом управляющем уровне и в системе очувствления могут функционировать отдельные ЭВМ, которые в микропроцессорном исполнении весьма компактны.

Третий вид (в) автоматической системы управления (третье поколение роботов) - интеллектная, или, как ее еще называют, интегральная система характеризуется до-бавлением еще одного управляющего уровня - высшего. Высший уровень содержит элементы искусственного интеллекта. Под ними понимаются технические устройства (включающие в себя микро-ЭВМ), которые, используя развитую систему очувствления и искусственное зрение, автоматически производят распознавание обстановки в рабочей зоне и построение в ЭВМ упрощенной модели среды. Они обеспечивают автоматическую выработку решения о дальнейших действиях манипуляторов в соответствии с укрупненно заданной целью технологической операции. Здесь может идти речь и о самообучении робота по накапливаемому им в своей памяти опыту работы. Затем выработанное решение передается вниз на стратегический уровень и на всю последующую цепочку уровней, как в предыдущей системе.

Здесь надо сказать, что приписываемые робототехнической системе термины часто созвучны с терминами, относящимися к свойствам человека (очувствление, память, зрение, восприятие и т. д.), но их нельзя понимать в буквальном смысле: имеется в виду лишь внешняя, функциональная аналогия по своим конечным результатам, но отнюдь не по существу процессов и тем более не по физической природе. Само по себе применение подобных терминов не должно вызывать возражений. Это традиция технических наук, давно применявших такие "биологические" термины, как палец, червяк, крыло, усталость металла, память ЭВМ и т. п. При этом отнюдь не утверждается каких-либо природных аналогий памяти ЭВМ и памяти человека, усталости металла и усталости живого существа. При всем этом небесполезны были бы и такие технические устройства, которые основывались бы на бионических принципах, в том числе и с моделированием каких-либо психофизиологических свойств человека. Но опять-таки это моделирование осуществляется иными техническими средствами, нежели в живой природе.

В настоящее время почти все промышленные роботы пока еще являются манипуляционными роботами первого поколения. Они уже в большом количестве "трудятся" в производственных цехах. Что касается следующих двух поколений, то простейшие адаптивные роботы уже появились на производстве, а интеллектные находятся в основном на стадии теоретических и экспериментальных разработок, хотя имеются уже и работоспособные образцы системы глаз - рука. Перспективы же развития робототехники неограниченны. Роботы и робототехнические системы будут с каждым годом играть все большую и большую роль в жизни человека. Но их развитие требует решения целого ряда научно-технических проблем [8].

Современные промышленные роботы первого поколения - программные - по принципу автоматического управления делятся на три группы: цикловые, позиционные, контурные.

В роботах с цикловым управлением движения по всем степеням подвижности совершаются от упора до упора. Программное устройство робота по заранее заданной про-грамме включает привод того или иного звена (или одновременно двух-трех звеньев) манипулятора. Последний при этом движется до соответствующего упора. Контакт с упором служит сигналом на включение следующего этапа движения и т. д., пока не совершатся все элементы данного технологического процесса. Затем автоматически весь Цикл повторяется многократно в течение всего рабочего времени.

Такие системы удобны, например, для обслуживания прессов на штамповочных работах. Тут в большинстве случаев применяются пневматические приводы с быстрым срабатыванием на каждом этапе движения. Работа пресса взаимосвязана с циклами движения манипулятора робота.

В позиционных системах управления программируются Движения манипулятора от точки к точке. Число точек программы за цикл движения лежит в пределах от сотен До десятков тысяч. При таком цифровом программном управлении (от микро-ЭВМ или достаточно развитого программного устройства) имеется уже возможность осуществлять сложные движения манипулятора. Позиционные роботы могут применяться во многих технологических процессах, заменяя однообразный ручной труд рабочего. Система программного управления робота сопрягается непосредственно с системой управления всего основного технологического оборудования, обслуживаемого данным роботом или группой роботов. При этом образуется полностью автоматически действующий роботизированный технологический комплекс с цифровым программным управлением от мини- и микро-ЭВМ. Таким образом, с помощью роботов исключается участие человека в технологическом процессе и тем самым завершается комплексная автоматизация производства.

Роботы с контурным управлением действуют по принципу замкнутых автоматических систем с обратной связью. Приводы звеньев робота снабжаются датчиками обратной связи по положению и по скорости, как в обычных следящих системах. При управлении от микро-ЭВМ достигается более совершенная форма движения манипулятора, поэтому на базе контурного управления можно добиться выполнения роботом более тонких ручных операций. В таких роботах легче осуществить переход к адаптивному управлению, т. е. к роботам второго поколения.

Позиционные и контурные системы роботов снабжаются обычно электромеханическими или гидравлическими (электрогидравлическими) приводами. Пневматика в них остается иногда для привода движения только губок схвата. Но чаще и эта операция электрифицируется.

Ввиду чрезвычайно широкого разнообразия технологических процессов во всех отраслях народного хозяйства требуется реализация с помощью роботов самых разно-образных форм ручного труда. Различают роботы универсальные и специализированные. Последние имеют более ограниченное число степеней подвижности и предназначены для роботизации узкого класса технологических операций, но часто встречающихся на практике. Они дешевле универсальных роботов. Универсальные роботы имеют шесть и более степеней подвижности и обладают широкими возможностями манипулирования в большом объеме рабочей зоны.

Поскольку нерентабельно производить очень большое число различных моделей роботов в соответствии с необозримым количеством технологий в народном хозяйстве, то считается перспективным агрегатно-модульный принцип их построения. Он состоит в том, что создается ряд простых базовых моделей, которые можно конструктивно надстраивать с помощью различных стандартных модулей как механических звеньев, так и приводов и модулей программного обеспечения и управления - по-разному для разных специфических технологических применений.

Модульный принцип распространяется и на адаптивные и интеллектные роботы, в которых добавляются модули различных средств очувствления (сенсорных устройств), различные модули микропроцессорной техники для обработки информации от них с целью распознавания обстановки, планирования действий робота и формирования сигналов управления, а также соответствующие модули математического (алгоритмического и программного) обеспечения.

Как уже говорилось, датчики и системы очувствления роботов являются аналогами органов чувств животных и человека по своим внешним проявлениям и функциям, но не по природе и не по внутреннему строению. Реализуются они на соответствующих средствах измерительной, локационной, телевизионной и тому подобной техники. Но к ним предъявляются специфические требования в смысле миниатюрности, диапазонов восприятия, чувствительности, быстродействия и пригодности выходных сигналов к цифровой обработке.

Простейшими из них являются тактильные датчики (осязательные). Матрицы тактильных датчиков, устанавливаемые обычно на губках схвата манипулятора, позволяют фиксировать и передавать в систему управления робота сигнал о прикосновении к предмету, о степени его захвата, о возможном проскальзывании. С их помощью можно определять форму захваченных предметов и, значит, сортировать их по какому-либо признаку.

Важное значение имеют силоизмерительные датчики. С помощью сигналов, поступающих от них в систему управления, можно автоматически регулировать силу сжатия в схвате, силу нажатия инструмента на предмет труда (сверла, гайковерта в кисти манипулятора), что особенно важно при сборочных операциях. Локационные датчики, например ультразвуковые, позволяют измерять скорость приближения кисти манипулятора к предмету и расстояние до него, а следовательно, и регулировать их автоматически через систему управления робота. На кисть манипулятора можно монтировать любые другие датчики, реагирующие на те или иные свойства предмета - температуру, влажность, радиацию и т. п., если это необходимо по технологическому процессу.

Появление предмета (например, движущегося на конвейере) в определенном месте может фиксироваться и вызывать нужные действия манипулятора простой системой фотоэлементов. При этом можно грубо различать и формы предметов.

Более тонкое распознавание предметов и обстановки производится с помощью систем искусственного зрения, датчиками которой могут быть телекамеры, или приборы зарядовой связи (ПЗС), или же фотодиодные матрицы. Будучи связаны через микропроцессорные устройства обработки информации и распознавания образов с системой управления манипулятора, они составляют систему глаз-рука. При этом сам глаз (телекамера или матрица) может устанавливаться либо в стороне, давая общий обзор сцены действия манипулятора, либо непосредственно в кисти манипулятора для локального видения места рабочей операции. В последнем случае сама рука робота обладает зрением (наряду с другими "чувствами", если на ней установлены и другие датчики).

В интеллектных роботах, как и у человека в процессе трудовой деятельности, могут одновременно использоваться различные сенсорные устройства (в единой системе).

Важно отметить еще, что все это требует сложной системы обработки информации в контурах от датчиков до реализации целенаправленных действий манипулятора в зависимости от обстановки и поставленной задачи. Алгоритмы и программное обеспечение должны быть при всей сложности задачи построены так, чтобы все это в реальных микропроцессорах успевало срабатывать в реальном темпе времени действий робота в данном технологическом процессе.

Спрашивается, зачем нужны адаптивные и тем более интеллектные роботы. Не достаточно ли иметь универсальные программные роботы?

Дело в том, что программные роботы настраиваются каждый раз на выполнение, может быть, и сложных, но жестко запрограммированных манипуляций. Это значит, что обстановка в рабочем пространстве должна быть строго детерминированной; все предметы, с которыми такой робот манипулирует, должны быть расположены в строго определенных местах и вполне определенным образом ориентированы. Во многих производственных цехах это легко сделать, но далеко не всегда. Часто для этого требуется дополнительная дорогая и громоздкая технологическая оснастка. И бывает выгоднее, отказавшись от нее, усложнить систему управления робота, чтобы он сам ориентировался в окружающей обстановке.

Если, например, предмет лежит произвольным образом или движется на конвейере, либо если надо выбирать из двух разных предметов один, то уже требуется адаптивная система управления, которая хотя бы элементарным образом приспосабливалась к не вполне определенной обстановке. Для человека это не составляет труда, а реализация автоматического адаптивного процесса в роботе далеко не всегда оказывается простой задачей. Производственные условия диктуют в каждом случае решать такие задачи простейшими техническими средствами и наиболее экономичными, что требует всегда серьезных исследовательских проработок и остроумного изобретательства. Но это совершенно необходимо делать для целого ряда сборочных, сварочных и многих других технологических операций.

Еще сложнее обстоит дело в неопределенной и непредвиденной заранее, а может быть, изменяющейся обстановке, когда даже характер манипуляционных операций нужно определять в зависимости от ситуации. Тогда и требуется создание автоматической системы управления с элементами искусственного интеллекта. Но это перспектива, а пока в таких случаях целесообразно создавать человеко-машинные системы с дистанционным управлением.