Файл: Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы..pdf

среды (например, вес поднимаемого груза или расстояние до объекта), может войти в выражение для закона управления каж­ дой степенью подвижности, и тогда такая адаптация может за­ тронуть только уровень привода или тактический уровень. С дру­ гой стороны, адаптация, близкая к искусственному интеллекту,м т££бует большого числа уровней иерархии системы управления. Число уровней системы управления адаптивного робота зависит также от того, каким образом человек-оператор формулирует ему задание. Если, например, это задание формулируется путем пере­ числения точек позиционирования (с дополнительным вычислением недостающих координат с помощью системы очувствления), то си­ стема управления адаптивного робота будет мало отличаться от системы управления программного робота. Если задание формули­ руется на некотором проблемно-ориентированном языке, то число уровней будет тем больше, чем выше уровень языка. В последнем случае все функции, связанные с разбиением задачи на подзадачи,

123

планированием выполнения каждой задачи и т. д., берет на себя система управления робота.

На рис. 5.2 приведен один из вариантов организации фрагмента системы управления адаптивного робота, выполняющего некоторую сборочную операцию. Ниже кратко рассмотрены функции, которые выполняет каждый уровень иерархии.

Уровень 6. Вход: задание, сформированное человеком-операто- ром на некотором языке, доступном системе управления. Вы ход : последовательность подзадач, решающих в совокупности сформули­ рованное задание.

Ф у н к ц и и : разбиение сложной задачи на подзадачи.

Инструментовка: только ЭВМ; используемые на данном уровне методы — это методы теории искусственного интеллекта.

Уровень 5. Вход: подзадача. Выход: последовательность элемен­ тарных действий (или макрооператоров), выполнение которых обеспечивает решение подзадачи.

Функции: преобразование подзадачи в последовательность дей­ ствий:

Инструментовка: та же, что и на уровне 6.

Уровень 4. Вход: элементарное действие. Выход: последователь­

получения элементарных операторов заключается в использовании методов макропроцессирования.

Уровень 3. Вход: элементарный оператор. Выход: описатели точек позиционирования либо некоторые команды и данные, управ­ ляющие внешними устройствами.

Функции: трансляция (либо интерпретация) элементарного опе­ ратора.

Инструментовка: только ЭВМ; входные элементарные опера­ торы представляют собой инструкции языка управления движением, поэтому используемые на данном уровне методы — это по сути дела

динат (например, преобразование из декартовых координат в обоб­ щенные для антропоморфной кинематики исполнительного устрой­ ства, рассмотренного выше); построение интерполяционного много­ члена; генерация управляющих сигналов.

Инструментовка: ЭВМ, хотя часть этих функций может быть реализована аппаратно (например, генерация управляющих сигналов с помощью цифровых интеграторов).

Уровень 1. Вход: управляющие сигналы на приводы подвижных сочленений. Выход: изменение окружающей среды.

Функции: фактическое выполнение задания, сформулированного на уровне 6.

124

Инс т ру м ент ов ка: функции цифровой коррекции может взять на себя ЭВМ (микроЭВМ либо микропроцессор), хотя это не является обязательным.

Примером с явно выраженными иерархическими уровнями си­ стемы управления робота служат адаптивные робототехнические комплексы, в состав которых кроме манипулятора входит еще и технологическое оборудование. Тогда к функциям системы управ­ ления добавляется еще синхронизация работы всех активных уст­ ройств, участвующих в выполнении технологической операции. Эту задачу решает логический уровень системы управления (см. п. 5.3),

Иерархическая организация системы управления имеет следую­ щие преимущества:

1) упрощает анализ системы управления. Рассматривая каждый уровень в отдельности и отбрасывая несущественную для анализа специфику работы остальных подсистем, мы делаем соответствующую подсистему обозримой и доступной для анализа существующими методами;

2) позволяет реализовать различные подходы к синтезу систем управления, в частности, к проектированию программного обеспе­

систем управления роботов. Как говорилось выше, переход от про­ граммного робота к адаптивному может не потребовать коренной перестройки системы управления, а лишь добавления необходимых модулей и согласования интерфейса между соседними уровнями иерархии.

Один из принципов построения адаптивных промышленных ро­ ботов состоит в широком использовании средств микропроцессорной техники, входящей как в состав системы очувствления, так и в со­ став системы управления.

Для адаптивного робота, представляющего собой чрезвычайно сложную систему, включающую большое количество разнообразной аппаратуры, важное значение приобретает разработка способов обмена, контроллеров связи и интерфейсных блоков.

5.2. Программное обеспечение систем управления адаптивных роботов

Функции управления адаптивным роботом выполняет вычисли­ тельная система, уровень сложности которой определяется уровнем адаптации робота: в простейшем случае это может быть один микро­ процессор или микроЭВМ, для сложных адаптивных робототехниче­ ских систем в состав системы управления может входить вычисли­ тельная сеть (см. гл. 1). Использование ЭВМ как существенного эле­ мента адаптивного робота определяется следующими обстоятель­ ствами.

125

Рис. 5.3. Структура системы управления и ее функции

1. Функции, выполняемые системой управления, сложны и разнообразны, и когда говорят «система управления робота», то имеют в виду не только управление движением исполнительного устройства робота. В действительности та часть программного обе­ спечения робота, которая связана непосредственно с управлением движением, является меньшей по объему (например, по количеству соответствующих инструкций процессора), чем часть программного обеспечения, связанного с выполнением остальных функций.

2. Для адаптивного робота программа не представляет собой фиксированный, заранее заданный набор описателей движения (на­ пример, координат точек позиционирования манипулятора): про­ грамма движения (а иногда и поведения) вырабатывается в процессе исполнения задания. ЭВМ как аппаратное обеспечение системы уп­ равления робота предоставляет широкие возможности по его про­ граммированию.

3. И, наконец, одним из важных обстоятельств использования средств вычислительной техники является их постоянное удешевле­ ние, сопровождающееся ростом таких их показателей, как быстро­ действие, объем, память и мощность программных средств.

Таким образом, возникает задача разработки программного обеспечения системы управления адаптивного робота, которая поз­ волит выполнить все указанные функции робота.

126

Система управления обслуживает следующие внешние по от­ ношению к ней объекты: человека-оператора; манипулятора; систему очувствления; технологическое оборудование. Именно эти функции определяют структуру программного обеспечения (рис. 5.3).

Взаимодействие с человеком-сператором. Система управления обеспечивает диалог человека-оператора с роботом. Можно выделить следующие основные потребности человека-оператора в процессе его общения с роботом:

формирование рабочей программы. Эта программа может быть представлена либо в виде набора данных, описывающих точки по­ зиционирования манипулятора и управляющие сигналы на техно­ логическое оборудование (их называют кадрами), либо в виде на­ бора инструкций на некотором проблемно-ориентированном языке. Первый способ формирования задания чаще используют для про­ граммных роботов, поскольку он по существу не обеспечивает адап­ тивного поведения робота;

редактирование рабочей программы. Эта функция программного обеспечения состоит в создании и модификации рабочей программы, причем, поскольку программа может представлять собой либо дан­ ные, либо инструкции (т. е. текст), то необходимо предоставить опе­ ратору возможность пользоваться как редактором данных, так и редактором текста;

хранение рабочих программ. Оператор должен иметь возможность создавать и поддерживать библиотеку рабочих программ, т. е. уда­ лять программы, включать новые, переименовывать их и т. д ;

исполнение и отладка рабочих программ. Эта функция програм­ много обеспечения является одной из основных. Отладка рабочей программы заключается, например, в пошаговом ее исполнении и выдаче оператору информации о текущем состоянии исполнительного механизма, технологического оборудования или рабочего простран­ ства;

выполнение сервисных функций. К таким функциям принадле­ жит, например, тестирование каналов связи с внешним оборудова­ нием и, если необходимо, подстройка соответствующих параметров, выдача оператору информации о возможности программного обе­ спечения, калибровка системы очувствления и т. д.

Взаимодействие с манипулятором. Функции, выполняемые про­ граммным обеспечением в отношении манипулятора, заключаются в управлении им (см. 5.1).

Взаимодействие с системой очувствления. Соответствующий мо­ дуль программного обеспечения должен принять информацию от системы очувствления, обработать ее (если система очувствления сама не занимается обработкой или полученная от нее информация непригодна непосредственно для целей управления) и передать моду­ лям, обеспечивающим управление.

Взаимодействие с технологическим оборудованием. Выполняемые программным обеспечением функции в отношении технологического оборудования и манипулятора совпадают, с той лишь разницей, что манипулятор представляет собой гораздо более сложный объект

127

с точки зрения управления, чем, например, сборочное приспособле­ ние, для управления которым, возможно, достаточно подать всего сигналы двух уровней, соответствующие двум состояниям: «открыто» —«закрыто». Однако принципиальной разницы здесь нет.

Кроме перечисленных выше функций, связанных с обслуживанием каждого из внешних объектов, существуют еще функции, выполне­ ние которых нельзя отнести к одному из этих объектов:

согласованное управление всем внешним оборудованием в соот­ ветствии с показаниями системы очувствления (см. 5.3).

общесистемные функции. К ним относят обработку прерываний, возникающих в системе, управление вводом-выводом, загрузку системы, распределение вычислительных ресурсов, вычисление эле­ ментарных функций и т. д.

Таким образом, рассмотренные выше основные функции про­ граммного обеспечения позволяют сделать следующий вывод. Про­ граммное обеспечение представляет собой систему программирова­ ния, структура и состав которой совпадают со структурой и составом операционных систем реального времени. Ниже приведены основные общие фрагменты универсальных операционных систем и систем программирования роботов, проблемно-ориентированных операци­

Такая аналогия позволяет воспользоваться для разработки программного обеспечения систем управления адаптивных роботов не только результатами, полученными в области теории операци­ онных систем, но и самими операционными системами.

Таким образом, программное обеспечение адаптивного робота представляет собой объединение подмножества операционной системы выполняющего общесистемные (и некоторые другие) функции, и проблемно-ориентированной части, которая разрабатывается в со­ ответствии с требованиями, предъявляемыми к адаптивному роботу. В качестве таких базовых операционных систем могут использо­

i Поддержка мультизадачности является еще одним важным ар­

цессов). Эти задачи могут выполняться на одном процессоре, и тогда

1 2 8