 с началом в этой точке. Математически положение точки в пространстве задается в одной из трех систем координат:
прямоугольной декартовой с координатами xM, yM, zM;
сферической с координатами rM, θM, Ψ M
цилиндрической с координатами rsM, θM, zM
Ориентация объекта в пространстве задается углами α, β и γ которые вектор ориентации образует с осями базовой системы координат. На рисунке. 1.5.1 дана схема шести подвижного манипулятора с вращательными кинематическими парами с координатами объекта манипулирования.
Р
исунок. 1.3.1 Кинематическая схема шести подвижного манипулятора
1.4 Основные геометро-кинематические характеристики манипулятора
Формула строения - математическая запись структурной схемы манипулятора, содержащая информацию о числе его подвижностей, виде кинематических пар и их ориентации относительно осей базовой системы координат (системы, связанной с неподвижным звеном).
Движения, которые обеспечиваются манипулятором делятся на:
глобальные (для роботов с подвижным основанием) - движения стойки манипулятора, которые существенно превышают размеры механизма;
региональные (транспортные) - движения, обеспечиваемые первыми тремя звеньями манипулятора или его "рукой", величина которых сопоставима с размерами механизма;
локальные (ориентирующие) - движения, обеспечиваемые звеньями манипулятора, которые образуют его "кисть", величина которых значительно меньше размеров механизма.
В соответствии с этой классификацией движений, в манипуляторе можно выделить два участка кинематической цепи с различными функциями: механизм руки и механизм кисти. Под "рукой" понимают ту часть манипулятора, которая обеспечивает перемещение центра схвата - точки М (региональные движения схвата); под "кистью" - те звенья и пары, которые обеспечивают ориентацию схвата (локальные движения схвата).
Рабочее пространство манипулятора - часть пространства, ограниченная поверхностями огибающими к множеству возможных положений его звеньев.
Зона обслуживания манипулятора - часть пространства соответствующая множеству возможных положений центра схвата манипулятора. Зона обслуживания является важной характеристикой манипулятора. Она определяется структурой и системой координат руки манипулятора, а также конструктивными ограничениями наложенными относительные перемещения звеньев в КП.
Подвижность манипулятора W - число независимых обобщенных координат однозначно определяющее положение схвата в пространстве.
 (1.4.1)
или для незамкнутых кинематических цепей:
 (1.4.2)
Маневренность манипулятора М - подвижность манипулятора при зафиксированном (неподвижном) схвате.
 (1.4.3)
Возможность изменения ориентации схвата при размещении его центра в заданной точке зоны обслуживания характеризуется углом сервиса θ – который является телесным углом (θ=f(α,β,γ)) , который может описать последнее звено манипулятора (звено на котором закреплен схват) при фиксации центра схвата в заданной точке зоны обслуживания.
 (1.4.4)
где: fC - площадь сферической поверхности, описываемая точкой С звена 3, lCM- длина звена 3.
1.5 Принципиальное устройство промышленного робота
Промышленный робот с шестью подвижностями является сложной автоматической системой. Эта система сложна как в изготовлении, так и в эксплуатации. Поэтому в реальных конструкциях промышленных роботов часто используются механизмы с числом подвижностей менее шести. Наиболее простые манипуляторы имеют три, реже две, подвижности. Такие манипуляторы значительно дешевле в изготовлении и эксплуатации, но предъявляют специфические требования к организации рабочей среды. Эти требования связаны с заданной ориентацией объектов манипулирования относительно механизма робота. Поэтому оборудование должно располагаться относительно такого робота с требуемой ориентацией.
Рассмотрим структурную и функциональную схемы промышленного робота с трехподвижным манипулятором. Основной механизм руки манипулятора состоит из неподвижного звена 0 и трех подвижных звеньев 1, 2 и 3 (Рис. 1.5.1).
Р
исунок 1.5.1 Структурная схема промышленного манипулятора
Механизм этого манипулятора соответствует цилиндрической системе координат. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена 0 (относительное угловое перемещение φ10), звено 2 перемещается по вертикали относительно звена 1 (относительное линейное перемещение S21) и звено 3 перемещается в горизонтальной плоскости относительно звена 2 (относительное линейное перемещение S32). На конце звена 3 укреплено захватное устройство или схват, предназначенный для захвата и удержания объекта манипулирования при работе манипулятора. Звенья основного рычажного механизма манипулятора образуют между собой три одноподвижные кинематические пары (одну вращательную А и две поступательные В и С) и могут обеспечить перемещение объекта в пространстве без управления его ориентацией. Для выполнения каждого из трех относительных движений манипулятор должен быть оснащен приводами, которые состоят двигателей с редуктором и системы датчиков обратной связи. Так как движение объекта осуществляется по заданному закону движения, то в системе должны быть устройства сохраняющие и задающие программу движения, называемые программоносителями.
Преобразование заданной программы движения в сигналы управления двигателями осуществляется системой управления. Эта система включает ЭВМ, с соответствующим программным обеспечением, цифроаналоговые преобразователи и усилители. Система управления, в соответствии с заданной программой, формирует и выдает на исполнительные устройства приводов (двигатели) управляющие воздействия ui. При необходимости она корректирует эти воздействия по сигналам Δxi, которые поступают в нее с датчиков обратной связи. Структурная схема промышленного робота приведена на .рисунке 1.4.1.
Р
исунок. 1.5.2 Структурная схема промышленного робота
1.6 Ранее использованные пути решения задачи
Системы управления на аналоговых элементах и логических схемах реализуют законы управления путем соединения логических схем и аналоговых элементов таким образом, что реализуемые ими функции складываются в нужный закон управления.
Краткие характеристики:
Сложны в проектировании реализации
Обладают большой массой и имеют большой размер
Не универсальны и не перепрограммируемые
Обладают высокой надежностью
Относительно дешевые
Системы на программируемых логических интегральных схемах.
Системы управления на программируемых логических интегральных схемах. Состоят из отдельных блоков – настраиваемых макроячеек. Реализуют законы управления посредством настройки на нужную функцию каждой макроячейки.
Краткие характеристики:
Относительно просты при проектировании и реализации
Имеют не большие размеры и массу
Являются перепрограммируемыми
Надежны
Дорогие
Микроконтроллерные системы управления.
В микроконтроллерных системах управления законы управления реализуются в программе хранимой в ПЗУ контроллера. Программы в ПЗУ заносятся при помощи ПК.
Краткие характеристики:
Относительно просты при проектировании и реализации.
Имеют не большие размеры и массу
Являются перепрограммируемыми
Являются мощным средством обработки информации.
Дорогие
Относительно надежны.
2 РАЗРАБОТКА АСУ ПРОМЫШЛЕННЫМ РОБОТОМ РФ-202М
2.1 Адаптивные системы управления
Адаптацией называется процесс обладающий следующими характеристиками:
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.
2.1.1 Уровни адаптации
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.
Второй уровень
Для него 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.
Третий уровень.
Понятие цели управления для адаптивных 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.
2.1.2 Структура адаптивных систем управления
Компоненты адаптивной и программной среды, отвечающие за исполнение выбранной последовательности обхода заданных точек, оказываются сходными.
Таким образом, основное свойство адаптивных систем – реализация цели управления в условиях недетерминированной внешней среды и дрейфа параметров робота – отражается в структуре двумя новыми элементами: информационной системой, а также устройством для вычисления координат целевых точек и последовательности их обхода, использующим информацию об изменениях, произошедших во внешней среде и компонентах робота.
Функции управления адаптивным роботом выполняет вычислительное устройство, уровень сложности которого определяется уровнем адаптации робота. В простейшем случае это может быть микропроцессор или микроЭВМ, для сложных адаптивных робототехнических систем вычислительное устройство может представлять собой мультимикропроцессорную сеть.
Для современных адаптивных робототехнических систем характерно совмещение в вычислительном устройстве функции адаптации к изменениям внешней среды и параметров приводов робота с широким набором аппаратурных и программных средств самодиагностики и устранения мелких неисправностей в самой системе управления.
Р
ис. 2.1.2.1 Структурная схема адаптивной системы управления
Функции программного обеспечения адаптивного робота состоят в обслуживании внешних по отношению к системе управления объектов:
человека-оператора, приводов робота, информационной системы, технологического оборудования и вычислительного устройства верхнего уровня управления (рис.2.1.2.1).
Система управления взаимодействует с человеком-оператором в режиме активного диалога, в процессе которого человек выполняет следующие действия:
формирует рабочую программу, которая может быть представлена в виде набора данных, описывающих точки позиционирования захватного устройства робота и управляющие сигналы на технологическое оборудование, или в виде набора инструкций на проблемно-ориентированном языке;
редактирует рабочую программу с помощью программы-редактора данных или редактора текста, поскольку, как было сказано выше, программа может представлять собой либо данные, либо инструкции;
создает объектный и загрузочный модули рабочей программы, обеспечивает удаление старых файлов, включение новых, переименование и хранение программ в библиотеке;
отлаживает рабочую программу, т.е. при поддержке программного обеспечения осуществляет ее пошаговое исполнение, анализирует результаты отладки и при удовлетворительном качестве программы дает команду на ее исполнение;
реализует функции контроля исправности оборудования, в частности, проверяет каналы связи с технологическим оборудованием, калибрует измерительные системы робота и выполняет другие операции диагностирования.
Программное обеспечение систем управления адаптивных роботов
Рисунок 2.1.2.2 Структурная схема программного обеспечения
2.2 Производственные системы искусственного интеллекта
2.2.1 Представление знаний в ПСИИ
Важной проблемой построения систем искусственного интеллекта является проблема представления знаний. Что же представляют собой знания и в чем их отличие от данных?
Знания представляют собой совокупность сведений (у индивидуума, общества или у системы ИИ) о мире ( конкретной предметной области, совокупности объектов или объекта), включающих в себя информацию о свойствах объектов, закономерностях процессов и явлений, правилах использования этой информации для принятия решений.
Существенным отличием знаний от данных является их интерпретируемость. Если для интерпретации данных необходимы соответствующие программы и сами по себе они не несут содержательной информации, то знания всегда содержательны. Другой отличительной чертой знаний является наличие отношений, например, вида “тип-подтип“, “элемент-множество“ и т.д. Знания характеризуются наличием ситуативных связей, определяющих ситуативную совместимость отдельных событий и фактов, позволяющих устанавливать причинно-следственные связи.
2.2.2 Модели представления знаний
Модели представления знаний можно условно разделить на декларативные и процедуральные. Декларативная модель основывается на предположении, что проблема представления некоей предметной области решается независимо от того, как эти знания потом будут использоваться. Поэтому модель как бы состоит из двух частей: статических описательных структур знаний и механизма вывода, оперирующего этими структурами и практически независимого от их содержательного наполнения. При этом в какой-то степени оказываются раздельными синтаксические и семантические аспекты знания, что является определенным достоинством указанных форм представления из-за возможности достижения их определенной универсальности.
В декларативных моделях не содержатся в явном виде описания выполняемых процедур. Эти модели представляют собой обычно множество утверждений. Предметная область представляется в виде синтаксического описания ее состояния (по возможности полного). Вывод решений основывается в основном на процедурах поиска в пространстве состояний
В процедуральном представлении знания содержатся в процедурах – небольших программках, которые определяют, как выполнять специфичные действия (как поступать в специфичных ситуациях). При этом можно не описывать все возможные состояния среды или объекта для реализации вывода. Достаточно хранить некоторые начальные состояния и процедуры, генерирующие необходимые описания ситуаций и действий.
Семантика непосредственно заложена в описание элементов базы знаний, за счет чего повышается эффективность поиска решений. Статическая база знаний мала по сравнению с процедуральной частью. Она содержит так называемые “утверждения“, которые приемлемы в данный момент, но могут быть изменены или удалены в любой момент. Общие знания и правила вывода представлены в виде специальных целенаправленных процедур, активизирующихся по мере надобности.
Процедуры могут активизировать друг друга, их выполнение может прерываться, а затем возобновляться. Возможно использование процедур - “демонов“, активизирующихся при выполнении операций введения, изменения или удаления данных.
Средством повышения эффективности генерации вывода в процедуральных моделях является добавление в систему знаний о применении, т.е. знаний о том, каким образом использовать накопленные знания для решения конкретной задачи. Эти знания, как правило, тоже представляются в процедуральной форме.
2.2.3 Формы моделей представления знаний
Продукционные модели.
Продукционные модели представляют собой набор правил в виде “условие - действие“, где условия являются утверждениями о содержимом БД (фактов), а действия есть некоторые процедуры, которые могут модифицировать содержимое БД. Другая важная схема представления знаний – семантические сети, представляющие собой направленный граф, в котором вершинам ставятся в соответствие конкретные объекты, а дугам, их связывающим, - семантические отношения между этими объектами. Семантические сети могут использоваться как для декларативных, так и для процедуральных знаний.
Принципиальным методом для логического представления знаний является использование логики предикатов первого порядка (исчисление предикатов). При таком подходе знания о некоторой предметной области могут рассматриваться как совокупность логических формул. Изменения в модели представления знаний происходят в результате добавления или удаления логических формул.
Редукционные модели.
В редукционных моделях осуществляется декомпозиция исходной задачи на ряд подзадач, решая которые последовательно определяют решение поставленной задачи. Логические представления легки для понимания и располагают правилами вывода, необходимыми для операций над ними. Однако в логических моделях представление знаний отношения между элементами знаний выражаются ограниченным набором средств используемой формальной системы, что не позволяет в полной мере отразить специфику предметной области. Недостатком логического представления является также тенденция потреблять большие объемы памяти ЭВМ.
2.2.4 Структура производственных систем искусственного интеллекта
В зависимости от характера выполняемых функций и области действий структура различных ПСИИ изменяется, но при этом все ПСИИ выполняют несколько характерных задач, а именно: интерпретация, планирование, управление, проектирование, диспетчирование и мониторинг, прогнозирование, диагностика. А главное – ПСИИ способна обновлять свои знания, объяснять обосновывать решения, прогнозировать развитие ситуаций, активно взаимодействовать с внешней средой и воспринимать информацию различного характера, получать решения на основе имеющихся знаний, хранить в памяти необходимую информацию и фактографические данные.
Р |
