Файл: Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы..pdf

С точки зрения применения модели проблемно-ориентированных сред можно разделить на четыре группы: модели фиксированных, статических, динамических и не полностью определенных сред.

Под фиксированной средой понимается среда с определенной структурой, в которой может происходить лишь небольшое число заранее известных изменений. Модель такой среды задается конеч­ ным набором ситуаций, каждая из которых соответствует одному возможному изменению в среде, а каждой ситуации — вполне опре­ деленная стандартная программа действия робота. Информация о си­ туациях может восприниматься самим роботом или быть задана че- ловеком-оператором.

Под статической средой понимается среда, изменения в которой вызваны действиями робота или происходят мгновенно в дискретные моменты времени.

Модели динамических и не полностью определенных сред могут

в результате изменений в среде, не вызванных действием робота, модели статических сред можно разделить на замкнутые и открытые. Если изменения в модели заключаются во внесении некоторых но­ вых соотношений (либо удаления старых) без изменения формули­ ровки всей модели или ее значительной части и без изменения ее

в которых вызваны только действиями роботов. Среди замкнутых можно выделить модели на основе представления в пространстве со­ стояний, или теоретико-графовые; редукционные модели; многогра­ дационные модели с отношениями; многоградационные модели без отношений.

Модели на основе представления в пространстве состояний ха­ рактеризуются тем, что собственно модель (множество состояний среды) задается одновременно с моделью действий (операторы) в виде векторов, двумерных массивов и т. п. Модели действий пере­ водят одно состояние в другое. Их можно представить как функции состояний, заданные либо в виде таблиц, либо аналитически.

В силу того, что пространство состояний удобно представлять в виде направленного графа, модели, основанные на представлении в пространстве состояний, иногда называют теоретико-графо­

выми.

С помощью редукционных моделей описание целевого состояния среды (описание задачи) можно свести (редуцировать) к описанию такого состояния (подзадача), достигая которое можно легко достиг­ нуть целевое. Для описания задач и подзадач могут быть использо­ ваны списки, векторы, массивы и другие формы. Оператор сведения задачи к подзадачам преобразует описание задач во множество р е ­ зультирующих или дочерних описаний задач. Решение всех дочерних задач обеспечивает решение исходной задачи. Для данного описания задачи может существовать много операторов сведения. Таким об­

25

разом, для того чтобы построить множество задач, все члены которого разрешимы, необходимо перепробовать целый ряд операторов.

Недостатком редукционной модели является то, что сама но себе она не позволяет выбрать метод оптимального разбиения задачи на подзадачи. С ее помощью можно решить задачу, если такое разбие­ ние осуществлено. Примером редукционной модели является меха­ низм, использованный в программе GPS. Редукционные модели от­ носятся к моделям второго уровня и являются замкнутыми, так как любое изменение в описании задачи, вызванное применением зафик­ сированных операторов, соответствующих действиям робота, потребует уже иного оператора сведения данной задачи к под­ задачам.

Многоградационные модели с отношениями — это модели, в ко­ торых среда представляется скомпонованной из конечного числа качественно разнородных элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом. Представления элементов среды в модели называются градациями модели. Отношения между элементами среды могут быть самыми разнообразными (место — действие, причина — следствие и т. п.), но при оперировании с моделями данного класса не используются развитые в математической логике методы. К этому классу относятся и модели ситуационного управления, которые в ряде случаев дают возможность достаточно полно отразить состояние среды. Для описания модели применяется специальный модельный язык, а в качестве процедур решения используется аппарат формаль­ ных трансформационных грамматик. Для данного подхода характе­ рен анализ некоторого множества решений задач требуемого класса. На основе определенных методов обобщения система формирует модель среды в виде множества описаний классов ситуаций и соот­ ветствующих им решений. Процесс решения сводится к отнесению текущей конкретной ситуации к одному из априорно сформирован­ ных классов и применению к ней решения, соответствующего этому классу. Недостатком ситуационного управления является то, что вычисление существенного класса понятий (соответствующих элемен­ там среды, членение которых на составляющие нецелесообразно) и выбор трансформационной грамматики (набора правил преобразова­ ния ситуаций после совершения действий) для каждой конкретной среды осуществляется оператором. Это затрудняет использование метода при создании адаптивных роботов широкого применения.

К многоградационным моделям без отношений можно отнести модели, в которых среда представляется комбинацией нескольких качественно разнородных признаков объектов без явного выделения отношений между объектами. Действия робота при этом являются реакцией только на определенные качественные градации среды или на объекты определенного типа. Модели этого класса могут быть раз­ делены на модели, конкретные ситуации в которых отображаются набором данных, поступающих с датчиков непосредственно на вход блока анализа, и на модели, в которых сенсорная информация перед поступлением на вход блока анализа аппроксимируется некоторыми функциональными зависимостями.

2G

Определенный интерес представляет рассмотрение лингвисти­ ческих моделей, к которым относятся модели, построенные на основе формализаций, применяемых для строгого описания тех или иных свойств естественного языка. В качестве формализаций наиболее часто используются семантические сети и формальные грамматики.

Семантическая сеть представляет собой направленный граф с по­ меченными вершинами и дугами, причем вершинам соответствуют некоторые отношения между объектами. Все многообразие семанти­ ческих отношений условно можно разделить на четыре класса: линг­ вистические; логические; теоретико-множественные; квантификационные.

Формальные (или порождающие) грамматики могут быть при­ менены для описания и распознавания сложных трехмерных сцен. В рамках лингвистического подхода обычно считают, что образы строятся из соединенных различными способами подобразов так же, как фразы и предложения строятся путем соединения слов, а слова составляются из букв. Этот подход целесообразен лишь тогда, когда распознать простейшие подобразы (непроизводные элементы) легче чем сами образы. Следует отметить, что для реализации лингвисти­ ческих моделей требуется достаточно большая мощность вычисли­ тельных средств.

Структурно в модели проблемно-ориентированной среды адап­ тивного робота можно выделить две составляющие: модели, исполь­ зуемые подсистемами восприятия информации о внешней среде, и модели, позволяющие оценивать функциональные возможности ро­ бота при реализации заданного плана действий.

Из моделей первого типа можно выделить модели, формируемые с использованием непроизводных элементов среды, получаемых на выходе датчиков очувствления, и модели, в которых используются непроизводные элементы среды, задаваемые человеком-оператором на основе обработки априорной информации о среде.

Для исследования каждого конкретного адаптивного робота должна быть составлена своя математическая модель и выбран свой алгоритм вычисления. Основное внимание уделяется исследованию динамических свойств и кинематике манипуляторов, а также вопро­ сам управления ими в сравнительно простых средах без препятствий.

Для комплексного исследования адаптивных роботов наиболее перспективным является подход, основанный на использовании про­ блемно-ориентированных вычислительных систем как инструмента исследований. При этом одним из основных методов исследования роботов является имитационное моделирование. С его помощью можно реализовать системный подход к исследованию этих роботов.

Для адаптивных роботов можно выделить следующий набор ими­ тационных моделей: собственно физической среды, в которой функ­ ционирует робот; процесса восприятия среды с помощью датчиков с определенными техническими параметрами; функционирования манипулятора в сложных средах (в том числе и с препятствиями); поведения робота в стереотипных ситуациях; оценки динамических характеристик манипуляторов. Для подвижных адаптивных робо­

27

2.1. Принципы измерения сил в силомоментных и тактильных датчиках адаптивных роботов

Силомоментными датчиками очувствления адаптивных роботов называют технические средства, предназначенные для изме­ рения компонент главного вектора сил и моментов, действующих на рабочий орган манипулятора, в проекции на связанную с датчи­ ком систему координат.

Силомоментные датчики обычно размещают либо непосредственно

вгубках захвата, либо между последним звеном и захватом манипу­ лятора. Последнее конструктивное решение более предпочтительно

вслучае, когда в процессе работы необходимо автоматически заме­ нять рабочий орган.

Известны варианты установки рассматриваемых датчиков от­ дельно от манипулятора, например, в основании координатного стола, на котором закреплена обрабатываемая деталь (рис. 2.1). В этом случае параметры силового взаимодействия захвата манипу­ лятора и детали измеряются относительно неподвижной декартовой системы координат.

Датчиками тактильного очувствления называют технические средства, предназначенные для определения координат точки ка­ сания захвата с объектом манипулирования (объектом) и измере­ ния контактного давления.

Тактильные датчики позволяют зарегистрировать факт наличия касания рабочего инструмента робота с объектом, обеспечивают опре­ деление направления и скорости относительного скольжения объекта по поверхности захвата, а также измерение силы его сжатия. Обычно тактильные датчики размещают на внутренних и внешних поверх­ ностях захвата или инструмента.

Преобразование сил, возникающих при физическом контакте за­ хвата с объектом, в электрический сигнал в рассматриваемых датчи­ ках осуществляется двумя путями. Первый из них заключается в не­ посредственном измерении упругих деформаций чувствительных элементов датчика. Наиболее часто для этого применяют тензорезисторные, пьезоэлектрические и магнитоупругие преобразователи.

Второй способ преобразования тактильной и силовой информа­ ции в электрический сигнал заключается в измерении микропере­ мещений калиброванных пружин датчика, деформируемых под дей­ ствием внешних сил в процессе контакта захвата с объектом. При этом используют известные электрические, магнитные и оптические

29

Рис. 2.1. Сборочный робот с силомомситным дат­ чиком, устанавливаемым в основании координат­ ного стола:

1 — робот; 2 — питатели; 3 — датчик

методы измерения малых переме­ щений.

Непосредственное измерение уп­ ругих деформаций с помощью тензорезисторных датчиков — наиболее распространенный метод. Известна широкая номенклатура полупро­ водниковых и проводниковых тензо-

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пла­ стинку кремния с приваренными к ней выводными проводниками. База полупроводниковых тензорезисторов различных марок, на­ пример, КТД, КТДМ, КТЭ, КТЭМ, 10-8, Ю-12, колеблется в преде­ лах 2—7 мм при его ширине и толщине 0,2 и 0,15 мм соответственно. Коэффициент чувствительности кремниевых тензорезисторов состав­ ляет примерно ± (100-М50). Среднее значение сопротивления тензорезистора в зависимости от длины его базы находится в пределах 100—800 Ом при допустимой силе тока через датчик 15 мА.

Если упругий элемент тактильного или силомоментного датчика представляет собой стержень или балку, на которых установлены тензорезисторы, образующие полную мостовую измерительную схему, то при максимальной упругой деформации 2*ГО”3 выходной относительный сигнал будет составлять примерно 50—150 мВ/В в зависимости от номинального сопротивления и коэффициента чув­ ствстельности применяемых датчиков.

Температурные характеристики существующих полупроводни­ ковых тензорезисторов пока еще не полностью удовлетворяют тре­ бованиям, предъявляемым к ним, что следует учитывать при выборе соответствующих измерительных схем. Идентичность механических и электрических характеристик полупроводниковых тензорезисто­ ров достигается при условии изготовления всех четырех элементов, образующих мостовую измерительную схему, в едином технологи­ ческом процессе. Тензорезисторы выращивают либо на подложке из диэлектрика типа сапфира или кварца, либо на стальной упругой подложке, изолируя полупроводники от металла с помощью диэлек­ трической пленки. Монтаж подложки с. тензорезистором на упругом элементе силомоментного датчика осуществляется с помощью клее­ вого или сварного соединения.

Из проводниковых тензорезисторов наиболее широкое распро­ странение получили фольговые тензорезисторы, отличающиеся вы­ сокой стабильностью характеристик и низким температурным дрей­ фом. Однако они имеют в несколько десятков раз меньшую чувстви­ тельность к деформациям, чем полупроводниковые тензорезисторы^

.30