Глава 3. Роботы с адаптивным управлением и элементами искусственного интеллекта

3.1. Проблемы очувствления и адаптации в робототехнике

Роботы с программным управлением, описанные в гл. 2, успешно работают только в строго определенных и неизменных условиях. Для организации таких условий необходимо вспомогательное техническое оборудование, стоимость которого иногда сравнима со стоимостью самого робота. Это требует значительных дополнительных затрат, усложняет процесс роботизации производства, делает его менее гибким.

Большинство применяемых роботов вследствие жесткого программирования систем управления требуют существенного упорядочения рабочей среды, что ведет к большим дополнительным затратам на изготовление высокоточных ориентаторов, позиционеров, накопителей и затрудняет широкое применение существующих автоматических манипуляторов.

Недостатком роботов с программным управлением является необходимость привлечения человека-оператора для предварительного обучения робота тем или иным технологическим операциям. Этот процесс трудоемок и требует высокой квалификации оператора. Программа движений, сформированная в результате обучения, предопределяет закон управления, реализуемый исполнительными приводами. Жесткий характер этого закона, не учитывающего динамическую информацию о состоянии робота и окружающей его среды, приводит к тому, что даже небольшие отклонения заданных условий влекут потерю работоспособности, а появление препятствий приводит к аварии. Все это снижает эффективность и сужает области применения роботов с программным управлением.

Условия эксплуатации роботов в ряде случаев заранее неизвестны, а иногда они могут меняться непредсказуемым образом в широком диапазоне. При этом целенаправленное взаимодействие робота с внешней средой строится на основе информации о состоянии среды, свойствах отдельных объектов в рабочей зоне, а также состоянии самого робота и его исполнительных органов. Характер и объем этой информации определяются функциональным назначением робота, степенью неопределенности условий его работы, требуемой степенью автономности поведения и другими факторами. На практике имеется много случаев, когда принципиально необходимо в процессе управления движением робота использовать оперативную информацию о состоянии внешней среды. Примерами таких операций в промышленности являются: работа с неориентированными объектами и с объектами существенно разной формы, захватывание и удержание хрупких объектов (с необходимостью регулирования усилия сжатия на уровне выскальзывания), сварка в ограниченных объемах, по сложному контуру, зачистка сварных швов и профилированных поверхностей, взятие движущихся деталей (например, с конвейера), подготовка поверхностей к нанесению покрытий, окраска по контуру, механическая сборка, электрический монтаж.

При работе робота в естественной, т. е. недетерминированной, среде, всегда существует некоторая неопределенность условий выполнения рабочих операций. Причем эти условия могут также изменяться и в процессе выполнения этих операций.

Можно указать следующие причины возникновения неопределенности условий функционирования робота.

1. Изменения в окружающей робот среде; неучтенные при планировании действий робота или меняющиеся (нестационарные) параметры среды.
2. Отклонения текущих параметров движения робота (положения, скорости, усилия и т. п.) от значений, предусмотренных технологическим процессом, вследствие погрешностей аналитического расчета и погрешностей воспроизведения роботом заданного закона движения.
3. Погрешности задания целевой информации, поступающей с более высокого уровня управления, в том числе алгоритмические, измерительные, обусловленные искажениями в каналах передачи информации.
4. Изменения состояния робота, включая сбои в работе, отказы, смещение опорной системы координат и т. п.

Неизвестные начальные или меняющиеся в процессе работы робота внешние условия приводят к тому, что в общем случае для выполнения своих функций робот должен оперативно контролировать внешнюю обстановку и свое состояние, распознавать изменения внешней и внутренней ситуации и при необходимости соответственно корректировать программу своей работы вплоть до перехода к новым оперативно синтезированным программам. Для этого робот должен быть оснащен соответствующим функциональным набором сенсорных устройств и адаптивной системой управления, реализованной в виде соответствующих аппаратных и программных средств с привлечением микропроцессоров.

Следовательно, необходима разработка алгоритмов и устройств для адаптивного управления роботами, обладающих способностью автоматически приспосабливаться (адаптироваться) к заранее неизвестным и меняющимся условиям эксплуатации. Разработка и реализация адаптивного управления на ЭВМ строится таким образом, чтобы требования к ассортименту необходимых датчиков очувствления робота были минимальными, причем, как правило, не требовалась бы идентификация параметров робота и среды, как это часто делается в адаптивных системах другого назначения.

Роботы с адаптивным управлением значительно превосходят по своим возможностям роботы с программным управлением: они могут приспосабливаться к изменениям обстановки, к дрейфу параметров робота, распознавать и обходить препятствия, идентифицировать целевые объекты и определять их характеристики и т. д. До последнего времени фактическая реализация указанных потенциальных возможностей адаптивных роботов сдерживалась как отсутствием эффективных методов управления роботами в условиях неопределенности, так и отсутствием специализированных средств информационно-измерительной (сенсорной) и вычислительной техники. Однако сегодня в связи с успехами в области теории адаптивного управления, разработки средств очувствления и микропроцессоров появились реальные предпосылки для создания и широкого использования роботов с адаптивным управлением и элементами искусственного интеллекта. Потребность в таких роботах остро ощущается не только в промышленности (прежде всего в химической, атомной, машино- и приборостроительной), но и в опасных для человека условиях и средах.

Обеспечение работоспособности роботов в заранее неизвестных и меняющихся условиях - это лишь одна из целей адаптивного управления. Другая, не менее важная цель заключается в создании адаптивных роботов, способных выполнять технологические операции, которые обычным роботам с жестким программным управлением просто не под силу. Примерами таких операций могут служить тонкие сборочные операции типа "вставить вал в отверстие", "завинтить гайку"; силовые операции типа "открыть люк", "повернуть штурвал"; операции, требующие ударных усилий, или групповые операции, определяющие необходимость совместных, строго скоординированных действий нескольких роботов. Сюда же относятся операции по манипулированию ориентированными деталями или движущимися объектами. Все эти операции должны выполняться роботом быстро, точно и надежно. Поэтому адаптивная система управления должна обеспечить необходимую скорость, плавность и гибкость движений робота в реальной обстановке, что требует автоматизации функций планирования и программирования движений, т. е. самопрограммирования робота.

Адаптивная система управления робота в целом имеет иерархическую структуру, включающую ряд уровней [29, 42]. В случае группового управления (например, управления роботизированными технологическими комплексами) система управления должна быть дополнена еще одним уровнем - уровнем координирования деятельности отдельных роботов, а также другого технологического оборудования и планирования связанного поведения всей группы исходя из поставленной общей задачи.