книги / Робот. Компьютер. Гибкое производство

Техническое зрение и графическое программирование

Использование средств технического зрения в системе АПРОГРАФ преслед^т две цели. Первая —упрощение процедуры формирования геометрической модели задачи и графических образов, в том числе уточнение геометри­ ческих параметров модели (размеров и взаимного распо­ ложения объектов в пространстве) по фактическим дан­ ным, получаемым от системы технического зрения (СТЗ). Вторая цель —применительно к задаче программирова­ ния роботов, оснащенных СТЗ,—настройка (программи­ рование) СТЗ робота и координирование ее функций с двигательной программой робота.

В соответствии с первой из указанных целей преду­ сматриваемые в системе АПРОГРАФ средства ввода и об­ работки видеоинформации, поступающей от телекамеры или видеомагнитофона, используются в качестве источни­ ка геометрической информации об объектах технологиче­ ской среды робота. При этом СТЗ системы участвуют в решении трех задач:

1.Распознавание геометрических объектов-прототипов, представленных в базе данных системы, на изображении сцены Р, т. е. выделение из всего множества прототипов Q подмножества «активных» на данной сцене прототипов

Q+(P) czQ.

2.Коррекция геометрических параметров прототипов

из Q+ (Р) и определение параметров их пространственного положения R = R ( Q +( P ) , Р), где R = {sAg}, sftg —вектор параметризации прототипа q ^ Q + для /с-го объекта, выде­ ленного на изображении сцены Р; этот вектор использу­ ется для инициализации геометрических данных в графи­ ческой программе.

3. Синтез новых прототипов, добавляемых затем в базу данных системы.

В реализованной на сегодня версии системы решение указанных задач предусматривается пока в так называе­ мом мониторном режиме, когда СТЗ обеспечивает только ввод видеоданных и воспроизведение оцифрованного и предварительно обработанного (отфильтрованного и окон­ туренного) изображения сцены на экране графического дисплея. При этом операции по отбору и параметризации прототипов или их конструированию выполняются опе­ ратором с помощью графического редактора. В дальней­ шем предполагается автоматизация этих процедур, остав­

51

ляющая за пользователем только функции контроля и снижения возможной избыточности получаемых резуль­ татов.

При программировании роботов, оснащенных собствен­ ной СТЗ, средства видеоанализа снртемы АПРОГРАФ ис­ пользуются для решения дополнительных задач:

—эмуляции СТЗ робота с целью: а) моделирования ее функционирования при решении роботом технологи­ ческой задачи, б) подбора оптимальных параметров на­ стройки СТЗ и ее программирования в соответствии с фактическими возможностями управления процессом анализа видеоданных в системе управления робота, в) модификации двигательной программы робота с учетом возможностей зрительного контроля состояния среды, воз­ лагаемого на СТЗ робота, ракурса и взаимного поло­ жения объектов в поле зрения СТЗ;

—подготовки графических эталонных изображений объектов технологической среды робота, которые должны распознаваться СТЗ робота, для ее обучения и контроля

свозможностью имитации различных шумовых эффектов

иискажений, характерных для реальной аппаратуры и производственных условий функционирования робота.

Вотличие от первой задачи, вытекающей из необхо­ димости привязки графической программы к реальной тех­ нологической обстановке, вторая задача отражает по­ требности опережающей подготовки производства с робо­ тами, когда технологическая среда еще физически не су­ ществует. Средства, обеспечивающие ее решение, могут

оказаться также полезными для выбора модели робота и (или) его сенсорного оснащения на этапе проектирования технологии, а также при разработке оригинального мате­ матического и аппаратного обеспечения СТЗ роботов для специфического круга задач.

Заключение

По мере расширения области применения роботизиро­ ванных комплексов при автоматизации сборочных процес­ сов применение средств независимого программирования таких комплексов становится не только желательным, но и необходимым условием для достижения высокого ка­ чества, производительности и эффективности технологи­ ческих процессов, снижения временных и материальных затрат на подготовку и переподготовку производства. Си­ стема АПРОГРАФ, как нам кажется, откроет путь к

52

АДАПТИВНЫЕ РОБОТЫ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ

А. В. ТИМОФЕЕВ

Общие сведения об адаптивных роботах

Характерной чертой современной научно-технической революции является создание и широкое использование роботов. Это принципиально новое средство автоматиза­ ции позволяет заменить людей на опасных для здоровья монотонных и тяжелых работах. Процесс естественной эволюции роботов привел в последние годы к появлению адаптивных и интеллектуальных роботов. В отличие от первых роботов с программным управлением они имеют развитые средства адаптации и искусственного интеллек­ та. Благодаря этому такие роботы способны выполнять за человека не только двигательные, но и информацион­ ные и интеллектуальные функции.

Что же такое адаптивный робот? Чем он отличается от традиционных средств автоматизации? Каковы его роль и значение в гибких производственных системах?

Адаптивный робот состоит из следующих элементов: —системы связи, —сенсорной системы,

—системы адаптивного управления, —двигательной системы.

Охарактеризуем основные функции каждого из этих эле­ ментов.

Система связи служит для оперативного обмена ин­ формацией между роботом и человеком на некотором языке. Она также обеспечивает связь робота с другими роботами и технологическим оборудованием. Цели такого обмена и связи разнообразны. К ним можно отнести пе­ редачу заданий роботу, осуществление диалога между ним и человеком, контроль за выполнением заданий, ди­ агностику неисправностей и т. п.

Сенсорная система —это, по существу, искусственные органы чувств робота. Она, как и органы чувств челове-

54

( Человек J

ка, воспринимает и преобразует информацию о состоянии внешней среды и самого робота. Сенсорная система фор­ мирует сигналы внешней и внутренней обратной связи, используемые системой адаптивного управления. Для это­ го служат телевизионные и оптико-электронные устройст­ ва, акустические датчики и гидролокаторы, лазерные и ультразвуковые дальномеры, тактильные, контактные и индукционные датчики, акселерометры, датчики положе­ ния, скорости, сил и моментов и т. п., а также различ­ ные преобразователи сигналов.

Система адаптивного управления —это своеобразный мозг робота. Она вырабатывает алгоритмы адаптации и управления двигательной системой на основе сигналов обратной связи от сенсорной системы. К интеллектуаль­ ным функциям этой системы относятся организация об­ щения робота с человеком на том или ином языке (ин­ теллектуальный интерфейс), распознавание ситуаций и моделирование среды, планирование операций и приня­ тие целенаправленных решений, программирование и оптимизация движений.

«Мозг» адаптивных роботов реализуется на базе ком­ пьютеров или микропроцессоров, содержащих широкий набор входных (аналого-цифровых) и выходных (цифроаналоговых) преобразователей и интерфейсных каналов связи. По этим каналам, как по нервной системе, пере­ даются непрерывные (аналоговые) и дискретные (цифро­ вые) сигналы. Адаптационные возможности и интеллек­ туальные способности робота определяются главным об­ разом алгоритмическим и программным обеспечением его системы управления.

55

Двигательная система характеризует динамические свойства робота, в частности, его способность совершать разнообразные движения. Эта «моторная» система служит для фактической отработки алгоритмов адаптации и уп­ равления с помощью системы приводов, вырабатывающих необходимые силы и моменты. Тем самым обеспечивается возможность целенаправленного воздействия робота на объекты окружающей среды. В качестве исполнительных механизмов обычно используются механические руки (манипуляторы), механические ноги (педипуляторы), тележки с колесным или гусеничным шасси, а также их комбинации. Двигательная система робота может вклю­ чать также силовую лазерную установку, целенаправлен­ но воздействующую на объекты окружающей среды, или устройство, манипулирующее объектами с помощью элект­ ромагнитного силового поля.

Архитектура адаптивного робота, взаимодействующего с человеком и окружающей средой, изображена на рис. 1. Она включает в себя как обязательные элементы: описан­ ную выше систему связи, сенсорную систему, систему адаптивного управления и двигательную систему.

С функциональной точки зрения адаптивный робот вос­ производит функции человека, занятого физическим или умственным трудом. Поэтому он выступает как универ­ сальное средство автоматизации сенсорных, двигательных и интеллектуальных функций человека. Прежде всего это касается автоматизации таких видов деятельности чело­ века, которые связаны с тяжелыми, монотонными, вред­ ными для здоровья или опасными для жизни операциями. Так, манипуляционные роботы служат для автоматизации

перевозки грузов в цехах или на пересеченной местности (например, на поверхности Луны или на дне океана).

Адаптивный робот с элементами искусственного ин­ теллекта, контролируя свои состояния и воспринимая объекты окружающей среды с помощью сенсорной систе­ мы, формирует в памяти системы управления образы этих состояний и объектов. По мере накопления и преобразо­ вания информации он может с помощью человека или автоматически обучаться новым понятиям и навыкам, а также формировать в своей памяти модель окружаю­ щей среды. Благодаря этому робот оказывается потенци­ ально способным выполнять такие интеллектуальные опе­ рации, которые у человека отождествляются с мышле­

56

нием. Подобными операциями являются самообучение понятиям и распознавание образов, планирование поведе­ ния и принятие решений, самопрограммирование движе­ ний и самонастройка законов управления. Для фактиче­ ского осуществления интеллектуальных функций систему адаптивного управления робота необходимо оснастить соответствующим алгоритмическим и программным обес­ печением, включая элементы искусственного интеллекта.

Адаптивный робот —система обучаемая. Необходимую информацию (знания и навыки) ему можно передавать в режиме обучения как путем непосредственного занесе­ ния ее в память системы управления, так и посредством воздействия через сенсорную систему (например, показом объектов из определенного класса). В «ходе обучения си­ стема управления изменяет свои параметры или структу­ ру, т. е. адаптируется. У адаптивного робота структура и параметры системы управления зависят от его взаимо­ действия с внешней средой в режиме обучения (напри­ мер, от того, какие объекты были ему показаны). В про­ цессе обучения и адаптации робот формирует и коррек­ тирует информационную модель самого себя и внешней среды.

Важно отметить, что именно способность роботов к обучению и адаптации путем активного взаимодействия с окружающей средой отличает их от традиционных средств автоматизации (компьютеров, промышленных автоматов, автоматических линий и т. п.). Обычные автоматы и ав­ томатические роторно-конвейерные линии конструируют­ ся таким образом, чтобы в течение всего срока эксплуа­ тации надежно выполнять только ту технологическую операцию, для автоматизации которой они предназначе­ ны. Поэтому применение неадаптивных автоматов и ли­ ний целесообразно и экономически выгодно только при многократном повторении технологической операции. Та­ кие условия характерны для массового и крупносерийно­ го производства.

В отличие от традиционных автоматов и автоматиче­ ских линий адаптивные роботы служат для автоматиза­ ции не одной конкретной, а целого класса технологиче­ ских операций и задач. В этом проявляется их универ­ сальность. Функциональные возможности адаптивного робота определяются разнообразием датчиков сенсорной системы, эффективностью алгоритмов обработки инфор­ мации и управления, а также уровнем искусственного интеллекта.

57

Характерной чертой адаптивных роботов является гиб­ кость, т. е. способность оперативно перестраиваться с ре­ шения одной технологической задачи на другую. Обычно это достигается путем переобучения (перепрограммирова­ ния) робота с помощью человека или в автоматическом режиме. В последнем случае гибкость достигается посред­ ством самообучения и автоматического приспособления (адаптации) робота к заранее неизвестным или изменяю­ щимся условиям эксплуатации.

Резюмируя вышеизложенное, определим понятие «адап­ тивный робот» следующим образом. Адаптивный робот — это универсальная автоматическая система для воспроиз­ ведения физических и интеллектуальных функций чело­ века, способная обучаться на опыте и адаптироваться к реальным условиям путем активного информационного и двигательного взаимодействия с окружающей средой [1, 2] Отличительными признаками адаптивного робота согласно данному определению являются универсальность, гибкость и адаптивность. Благодаря этим свойствам ро­ боты могут выполнять те виды физической и умственной работы, которые принципиально или по экономическим соображениям невозможно или нецелесообразно автома­ тизировать традиционными средствами.

Эволюция принципов управления роботами

История развития робототехники непродолжительна. Тем не менее роботы принято делить на три поколения. Хотя такое разделение весьма условно, оно позволяет отразить наиболее значительные изменения в архитектуре, сред­ ствах адаптации и принципах управления роботами^ в процессе их эволюции.

Роботы первого поколения —это роботы с програм­ мным управлением (программные роботы). Они предназ­ начены в основном для выполнения заранее запрограм­ мированной последовательности технологических опера­ ций.

Управление такими роботами осуществляется по жесткой программе, формируемой в режиме обучения с помощью человека-оператора. Поэтому приемлемое каче­ ство управления достигается лишь при строго определен­ ных и неизменных условиях эксплуатации робота. Следу­ ет, однако, подчеркнуть, что именно простота формиро­ вания и изменения программы, т. е. простота переобуче­ ния (перепрограммирования) робота при переходе на

58

новые операции, сделала роботы первого поколения до­ статочно универсальными и гибко перестраиваемыми на разные классы операций.

Первые роботы с программным управлением появились в промышленности в начале 60-х годов. В настоящее вре­ мя сотни тысяч таких роботов успешно используются при обслуживании металлорежущего оборудования (в частно­ сти, станков с числовым программным управлением), пе­ чей, штампов, прессов, литейных машин и т. п. С их помощью осуществляется установка, снятие, транспорти­ ровка, упаковка изделий и инструментов, простейшие сбо­ рочные операции, ковка, литье под давлением, термиче­ ская и механическая обработка и т. п. Наиболее широко программные роботы применяются в приборостроении и машиностроении.

Однако функциональные возможности роботов первого поколения существенно ограничены малым набором дат­ чиков сенсорной системы и несовершенством системы программного управления. Последняя обеспечивает вы­ полнение жесткой программы, заранее заложенной в па­ мять. Способность к восприятию окружающей среды и к формированию ее модели у программных роботов практи­ чески отсутствует. Их обучение, а иногда и эксплуатация требуют вмешательства человека-оператора. Это снижает эффективность и сужает области применения роботов первого поколения.

Успешное функционирование роботов с программным управлением возможно лишь при строго определенных и неизменных условиях эксплуатации. Для организации та­ ких условий требуются дополнительные приспособления и оснастка, стоимость которых сравнима, а иногда и пре­ вышает стоимость самого робота. Понятно, что все это усложняет процесс роботизации производства, делает его дорогостоящим и менее гибким. Поэтому в последнее время особую актуальность приобрели научно-исследова­ тельские и опытно-конструкторские разработки по созда­ нию более совершенных роботов следующих поколений.

Роботы второго поколения —это адаптивные роботы. Они отличаются от программных роботов, во-первых, су­ щественно более широким набором датчиков, особенно датчиков внешней информации, во-вторых, использовани­ ем средств адаптации в системе управления, реализуемой на базе компьютера или микропроцессоров. Последняя, об­ рабатывая сигналы внешней и внутренней обратной свя­ зи, синтезирует закон управления исполнительными при­

50

водами и механизмами робота с учетом фактической об­ становки, которая может непредсказуемо изменяться.

Этот закон может иметь ситуационный характер. В этом случае его синтез сводится к формированию связей типа «класс ситуаций —действие». Каждая такая связь либо заранее закладывается в память системы управления, либо формируется в процессе обучения робота человеком. При этом под «ситуацией» понимается набор значений сигналов на выходе сенсорной системы, а под «классом ситуаций» —такое их множество, что все «ситуации» из одного класса требуют одного и того же «действия», адек­ ватного данному «классу ситуаций». «Действием» явля­ ется программа движения, которая формируется в режи­ ме обучения робота. В случае существенного изменения «ситуации», соответствующей переходу из одного «клас­ са ситуаций» в другой, автоматически изменяется и «действие», т. е. программа движения.

Описанный способ ситуационного управления напоми­ нает схему выработки условных рефлексов у человека или животного. Поэтому управляемое поведение адаптивного робота можно условно назвать рефлекторным. Именно наличие связей «класс ситуаций —действие» позволяет роботу приспосабливать свое поведение к реально скла­ дывающейся и даже изменяющейся (правда, в довольно ограниченных пределах) обстановке.

Другой способ адаптивного управления роботами сво­ дится к аналитическому синтезу закона управления с об­ ратной связью через сенсорную систему. Такое управление естественно назвать сенсорным. Его адаптационные воз­ можности принципиально ограничены.

Более совершенным является способ адаптивного уп­ равления, при котором сенсорное управление дополняет­ ся алгоритмом самонастройки его структуры и парамет­ ров. Адаптационные возможности управления с самонаст­ ройкой практически неограничены. Благодаря самонаст­ ройке робот может автоматически приспосабливаться (адаптироваться) к заранее неизвестным и изменяющимся условиям эксплуатации.

Неотъемлемой частью роботов второго поколения яв­ ляется их программное обеспечение, реализующее алго­ ритмы обработки информации, адаптации и управления. По мере совершенствования роботов и расширения их адаптационных способностей относительная доля затрат на алгоритмическое и программное обеспечение увеличи­ вается и в ряде случаев существенно превышает затра­

60