Сибирский государственный аэрокосмический
Университет
Имени академика М.Ф. Решетнева
Кафедра ТМС
РЕФЕРАТ
Тема: Системы адаптивного управления роботами
План:
Стр.
1. Введение 3
2. Уровни адаптации 4
3. Особенности адаптивных систем управления 6
4. Структура адаптивных систем управления 8
5. Программное обеспечение систем управления
адаптивных роботов 11
6. Основные функции программного обеспечения 12
7. Заключение 14
8. Список использованной литературы 15
Введение
Адаптация (аккомодация) является основной реакцией живого организма, обеспечивающей ему возможность выживания. Она означает приспособление организма к изменяющимся внешним и внутренним условиям. Реализация этого принципа в технических системах, а именно в робототехнике, по-видимому, имеет много достоинств, а иногда и просто необходима. Понятие адаптации или адаптивности в технике носит очень широкий характер и имеет поэтому много толкований. К сожалению, до сих пор нет точного общепринятого определения адаптивной системы, поэтому попытаемся пояснить смысл этого термина следующими рассуждениями.
Как известно, с помощью разомкнутого управления без обратной связи можно исключить влияние на выходные параметры объекта некоторых предсказуемых внешних возмущений при условии, что характеристики отдельных компонент и элементов системы управления достаточно просты и их свойства не изменяются.
Ликвидировать влияние непредсказуемых внешних возмущений на поведение объекта возможно в рамках традиционной теории управления. Для этого необходимо использовать принцип обратной связи, т.е. организовать замкнутую систему управления, свойства всех элементов которой полагаются известными и не изменяющимися во времени. Иногда может допускаться дрейф некоторых характеристик, но в очень незначительных пределах. Однако на практике часто встречаются такие объекты управления, амплитудные и частотные параметры которых варьируются в широких пределах под действием внешних причин с течением времени и в силу свойств самого объекта. В несколько раз может изменяться момент инерции манипулятора в сложенном состоянии по отношению к полностью вытянутому; вязкость рабочей жидкости в полостях гидроцилиндров подводного робота, работающего на разных глубинах моря при различных глубинах и температуре воды; трение в опорах двигателей в процессе загрязнения и старения смазки и многие другие характеристики. В то же время при управлении сложными объектами – гибкими производственными модулями, линиями или участками, состоящими из многих единиц оборудования, количество внешних и внутренних факторов, оказывающих возмущающее действие на их работу, резко возрастает. Среди них могут быть ошибки позиционирования заготовок или даже их отсутствие в нужный момент, износ обрабатывающего инструмента, отклонение стыка свариваемых деталей от заданной траектории движения электрода сварочного автомата, раскачивание деталей на подвесном конвейере в процессе захвата их роботом и другие подобные факторы, требующие адаптации управляющей системы, т.е. самонастройки и приспособления к реальным условиям эксплуатации. Реакция системы управления проявляется в изменении структуры, параметров, а иногда и алгоритма действий так, чтобы гарантировать достижения поставленной цели.
Существуют общие свойства, характеризующие процесс адаптации:
- выходные параметры объекта регулирования и характеристики возмущающих факторов находятся под постоянным контролем и управлением с помощью устройств, дополнительно включаемых в состав управляющей системы;
- наблюдаемое поведение объекта описывается некоторым показателем качества, оценивающим в количественной форме характер протекания процесса управления;
- отклонение показателя качества за пределы допуска влечет за собой автоматическую настройку параметров регулятора или замену алгоритма управления, результатом которых является достижение желаемого показателя качества или реализации поставленной цели.
Описанные свойства присущи в более или менее ярко выраженной форме всем адаптивным системам управления, всегда являющимися системами с обратной связью.
Уровни адаптации
В зависимости от цели управления адаптивные системы в робототехнике можно условно разделить на следующие уровни.
Первый уровень характеризуется способностью самонастройки параметров регулятора на основе информации о состоянии объекта, находящегося под возмущающим действием внешней среды. Оценка состояния объекта может осуществляться либо прямым измерением требуемых параметров, либо путем их идентификации. В последнем случае на объект подаются определенные пробные управляющие воздействия, фиксируется его реакция и на основании анализа поведения объекта дается оценка априорно неизвестным или изменившимся его параметрам. Характерным примером этого уровня адаптации робототехнической системы может служить регулятор, управляющий замкнутым по положению электрогидравлическим приводом манипулятора подводного аппарата. Особенность эксплуатации подводных роботов заключается в необходимости поддержания на заданном уровне статических и динамических параметров гидроприводов в широком диапазоне температур и давлений окружающей среды. Температура слоев воды может значительно отличаться, что может привести к изменению вязкости рабочей жидкости и, как следствие, к непредсказуемому дрейфу характеристик привода. Устранить это неприятное явление способна адаптивная система управления, идентифицирующая изменение характеристик и обеспечивающая соответствующую самонастройку параметров регулятора.
Для второго уровня адаптации робототехнических систем характерно включение в состав управляющего устройства дополнительных информационных средств, обеспечивающих сбор и обработку данных о состоянии внешней среды. На основании анализа изменений внешней среды осуществляется коррекция управляющей программы робота, позволяющая в новых условиях достичь поставленной цели. Хотя на этом уровне адаптации коррекция программных действий допускается лишь в небольших пределах, эффект от применения таких адаптивных систем управления на практике значителен. Примером может служить электродуговая роботизированная сварка крупногабаритных изделий. В этом технологическом процессе трудно обеспечить постоянство пространственного расположения линии стыка свариваемых частей от изделия к изделию. Поэтому сварочный робот должен уметь корректировать программную траекторию движения электрода в соответствии с реальным положением линии стыка, измеряемым специальными датчиками.
Понятие цели управления для адаптивных робототехнических систем третьего уровня вытекает из требования реализации максимальной производительности при обеспечении отсутствия брака. Характерны для этого уровня адаптации развитые средства для сбора информации о внешней среде, самодиагностирования, а, возможно, и саморемонта компонент управляемой производственной системы. Поясним сказанное примерами.
Одной из сложных с точки зрения автоматизации является операция абразивной зачистки литья, особенности которой заключаются в криволинейности формы отливок, отсутствии на них базовых поверхностей, которые можно было бы принять за начало отсчета для последующих точных перемещений и износ абразивного инструмента, поэтому выполнить абразивную зачистку или шлифование изделий, используя робот с программным управлением, практически невозможно. Решение этой задачи можно найти только в классе адаптивных систем, дополнив управляющее устройство робота средствами для контроля качества обработки поверхности отливки, датчиками сил резания и износа абразивного инструмента.
Система управления адаптивного модуля абразивной зачистки, анализируя степень шероховатости поверхности, может принять решение о повторном цикле обработки текущего участка детали или дать команду роботу переместить в зону шлифования следующий ее участок. Одновременно, используя информацию о силах резания и оценивая износ абразивного инструмента, адаптивная система управления может организовывать оптимальные с точки зрения производительности режимы обработки.
Другим примером адаптации робототехнической системы, при которой происходит изменение алгоритма управления, служит гибкая производственная система, например, механообработки, включающая в себя несколько единиц или десятков металлорежущих станков, объединенных автоматической транспортной складской системой. Такая система функционирует по заданной программе до тех пор, пока не произойдет какой-либо сбой. Если, например, выйдет из строя один из обрабатывающих центров, то система управления ГПС должна, оперативно оценив обстановку, принять решение о последующих действиях, разработать, возможно ценой снижения производительности, новую технологическую схему последовательной обработки изделий, выпускаемых данной гибкой производственной системой, и обеспечить функционирование станков и транспорта по новой маршрутной схеме до тех пор, пока ремонтная бригада не вернет в строй аварийный станок.
Рассмотренные уровни адаптации робототехнических систем различаются не столько количеством дополнительных устройств, обеспечивающих сбор и обработку информации об изменении параметров оборудования, внешней среды и характере их взаимодействия, сколько возможностью организовывать системы, способные функционировать во все более сложных, непредсказуемых изменениях условий эксплуатации.
Особенности адаптивных систем управления
Общие принципы организации адаптивной системы управления можно проследить на примере промышленного робота, осуществляющего съем деталей с подвесного конвейера и укладку их в тару.
Если момент прохождения деталью заданного положения известен, то задание может быть выполнено роботом, управляемым по жесткой программе. Для этого достаточно задать координаты точек позиционирования в исходном положении, положении захвата и положении тары, в которую ориентированно укладываются детали. Алгоритм, лежащий в основе программы действий робота, можно представить в следующем виде:
1 – задать координаты точек позиционирования;
2 – перенести захватное устройство в положение захвата детали;
3 – перейти в положение захвата детали;
4 – включить пневматическое захватное устройство;
5 – перейти в исходное положение;
6 – перенести захватное устройство с деталью к таре;
7 – выключить пневматическое захватное устройство;
8 – повторить с метки 2.
Однако успешная перегрузка деталей с конвейера в тару будет продолжаться, пока не возникнет пусть даже незначительное отклонение положения детали от заданного в программе. Причиной отклонения может быть неравномерность скорости движения конвейера или раскачивание детали. В этом случае деталь будет захвачена роботом неверно или не будет захвачена вовсе. Естественно, робот не заметит подобного сбоя и будет продолжать совершать ошибочные действия, пока не вмешается человек-оператор и не выключит его.
Сбои из-за неравномерности движения конвейера можно исключить, сохранив программный режим работы. Для этого достаточно оснастить конвейер датчиком, срабатывающим в момент прохождения крюком конвейера заданного положения захвата, установив в управляющей программе между метками 2 и 3 условный оператор, разрешающий переход на метку 3 только после получения сигнала датчика.
Однако введение в систему управления датчика положения крюка конвейера не исключает сбоев от раскачивания деталей. Кроме того, программное управление оказывается бессильным, если детали неверно подвешены на конвейере. Очевидно, что решить данную задачу под силу только адаптивной системе управления. Для этого существующий робототехнический модуль необходимо оснастить не только датчиком положения крюка, а еще и средствами для распознавания деталей и измерения координат точки для их захвата. В этом случае рассмотренный выше алгоритм действий робота модифицируется в такую последовательность:
1 – задать координаты точек позиционирования: исходной и тары;
2 – перенести захватное устройство в исходное положение;
3 – по сигналу датчика положения крюка произвести распознавание детали, измерить координаты точки захвата и ориентацию детали;
4 – перейти в положение захвата, ориентировать захватное устройство по отношению к оси детали;
5 – включить пневматическое захватное устройство;
6 – перейти в исходное положение;
7 – перенести захватное устройство с деталью к таре;
8 – выключить пневматическое захватное устройство;
9 – повторить с метки 2.
Таким образом, дополнительные устройства, введенные в систему управления, и модификация исходной программы позволяют обслуживать конвейер, перемещающийся с априори неизвестной скоростью и произвольным, в определенных пределах, расположением деталей.