3.1.2. Системы управления

Проблема управления ПР включает ряд задач: методы управ­ления и воспроизведения программы, технические средства, при­меняемые для построения системы управления (конструкция па­мяти, сенсорные элементы-датчики и программирующие устройст­ва). Для того чтобы составить общее представление о функциониро­вании систем управления, опишем работу такой системы для одного из типичных представителей промышленных роботов модели «Юни- мейшн» (США). А затем более подробно рассмотрим структуру и особенности построения таких систем.

На рис. 3.5 приведена функциональная схема управления гид­роприводом робота «Юнимейшн». Система работает в двух режи­мах: обучения и автоматическом. При ручном программировании обучения на вход усилителя оператором подается сигнал позицио­нирования. При выполнении серии повторяющихся операций на вход усилителя поступают команды от органа сравнения. Датчик (кодирующее устройство) измеряет перемещения ПР. В режиме установочных движений сигнал датчика записывается на магнит­ный барабан, который приводится в действие шаговым двигателем. Причем на дорожках магнитного барабана записываются только

Рис. 3.5. Функциональная схема управления гидроприводом:

/ — сервоклапан; 2 — гндроцилнндр; 3 — кисть; 4 — сервоусилитель; 5 —устройство коди­рования (датчик); 6 — управление обучением; 7 — орган сравнения; 8 — магнитный бара­бан; 9 — шаговый двигатель

коды конечных позиций движения ПР. Сигнал окончания отработ­ки программы используется для возвращения магнитного барабана в исходное положение.

В автоматическом режиме работы по программе, записанной на (барабане, сигнал с выхода кодирующего датчика подается в орган сравнения и сравнивается с сигналом барабана — программой по­зиционирования ПР. Когда по всем пяти управляемым движениям, соответствующим пяти степеням свободы руки ПР, достигается со­впадение этих сигналов, магнитный барабан поворачивается на один шаг. Все пять движений (горизонтальное и вертикальное перемеще­ние руки, поворот руки вокруг вертикальной оси, поворот кисти во­круг продольной оси и поворот кисти в вертикальной плоскости) могут выполняться одновременно. Емкость памяти — 200 последо­вательных команд.

В зависимости от характера управляемых параметров различа­ют управление положением в функции пути и управление скоро­стью. В первом случае применяются системы с обратными связями, во втором — разомкнутые системы. С точки зрения процедуры уп­равления выделяют позиционные (дискретные) двухточечные и мно­готочечные методы управления и непрерывное (контурное) управ­ление.

В зависимости от способов задания и реализации программы системы управления разделяют на две группы: цикловое управле­ние и управление с программируемыми перемещениями.

Как показывает отечественная практика, при применении гид­ромеханического привода 50% составляют цикловые, 40% — пози­ционные и 10% контурные системы управления. У роботов с элек­тромеханическим приводом эти цифры соответственно равны 55, 40 и 5%.

Роботы с цикловыми системами управления последовательно выполняют до 100 команд. Их целесообразно применять при'срав­нительно простых повторяющихся циклах движения, например при 'обслуживании перегрузочного пункта двух смежных конвейеров, при пакетировании однородных грузов.

ПР с программируемыми операциями отличаются разнообра­зием выполняемых перемещений. Они разделяются на аналоговые и числовые. В аналоговых системах информация может задаваться и храниться в виде потенциалов определенного уровня, число кото­рых соответствует количеству программируемых шагов, умножен­ных на число управляемых координат.

Бесспорное преимущество цикловых и аналоговых систем управ­ления— простота, наглядность схем управления, низкая стоимость , сохранение информации при выключении питания. Недостатками систем являются: реализация относительно простых циклов движе­ния исполнительных механизмов робота и ограниченное число вы­полняемых программ; сложность процесса наладки; отсутствие воз­можности хранить отработанную программу вне системы числового управления (СЧУ), которые обеспечивают надежное хранение опор­ных точек—позиций — и последовательность выполнения програм­мы. Так как данные программы сохраняются в памяти в цифровой форме, то возможно программирование любого положения руки в пределах установленной точности каждого движения робота. Точ­ность позиционирования в этом случае зависит в основном только от конструкции механической части.

Широкое применение СЧУ (25—30% общего числа моделей) объясняется их высокими функциональными возможностями. Достоинствами СЧУ являются: удобный процесс настройки, реализа­ция сложных циклов и траекторий движения исполнительных ме­ханизмов робота и отработка значительных по объему программ; оперативная отработка управляющих программ в процессе произ­водства; высокая надежность и точность. Наиболее универсальны и отличаются широкими функциональными возможностями ПР с ав­тономными системами управления, с использованием мини-ЭВМ и микропроцессоров. Если СЧУ при применении ЭВМ, осуществляю­щих групповое управление несколькими роботами и функционирую­щими вместе с ними ПТМ, реализуют 2000—20 000 различных команд, то у ПР с автономной системой управления количество команд управления практически неограничено. Такой ПР может быть использован для выполнения различных по характеру и до­статочно сложных перегрузочных операций, в частности перемеще­ния неориентированных определенным образом грузов, разнообраз­ных по форме и массе, загрузке или разгрузке транспортных средств.

В системах управления ПР встречаются два способа воспроиз­ведения программ: с переменной последовательностью, когда осу­ществляются переключение и одиночная выборка единичных опера­ций, и с постоянной жесткой последовательностью.

При реализации переключения программ в процессе обучения робота формируются несколько видов программ, отвечающих за­данным ситуациям. При воспроизведении программ их переклю­чают в зависимости от сигналов сенсорных элементов. При одиноч­ном выборе единичных операций в соответствии с сигналами сенсор­ных элементов в программу воспризведения добавляются отдельные единичные операции, информация о которых хранится в памяти робота. Метод произвольной выборки может применяться только для наиболее совершенных роботов, оснащенных электронно-вычис­лительными машинами.

При реализации программ путем их переключения или выборки из них единичных операций память может иметь ассоциативные свойства.

По некоторым признакам, ассоциациям, которые формируются в процессе обучения робота и ставят в соответствие определенные программы или участки программ (единичные операции). На осно­вании сигналов сенсорных элементов можно отрабатывать эти ти­повые программы или выбирать из памяти отдельные операции. На рис. 3.6 приведена классификация систем управления ПР.

В настоящее время усилия специалистов направлены в основном на создание обучаемых ПР.

Промышленные роботы данного типа

проходят четыре стадии обучения: обучение, запоминание, воспро­изведение и отработка программы. Методы обучения разделяются на два основных вида: централизованные и раздельные.

При централизованном обучении непосредственным манипули­рованием рукоятки управления оператор в заданной в соответствии с программой последовательности проводит обучение на основании конкретной информации о положении и времени. Процесс обуче­ния при этом способе полностью автоматизируется.

Раздельное обучение характеризуется тем, что процесс «усвое­ния» информации о положении и времени происходит независимо- от информации о последовательности выполнения операций.

Рассмотрим наиболее интересные системы управления ПР. К ним можно отнести групповое управление несколькими автоматами: уп­равление сенсорными элементами и, в частности, техническим зре­нием и осязанием и т. д., выбор и прокладку маршрута следования, адаптивное управление.

Наибольший экономический эффект достигается при управлении несколькими ПР из данного пункта. На рис. 3.7 приведена схема группового управления ПР на базе ЭВМ М-6000, разработанная учеными Ленинградского политехнического института.

Алгоритмическая система группового управления построена по­добно операционным системам больших ЭВМ в мультипрограм­мном режиме. Система строится из набора программных модулей, из которых компонуются отдельные законченные программы рабо­ты системы с помощью программы-координатора.

Задание на составление программы работы всех манипуляторов и совместно работающих с ними единиц технологического оборудо­вания дается централизованно оператором директивами на специ­альном языке. Соответствующие этим директивам отдельные типо­вые программы хранятся в оперативной памяти ЭВМ.

По введенному оператором коду выбираются соответствующие программы, которые затем активизируют программные модули. Кроме директив, оператор может задавать координаты отдельных предметов, отдельные траектории движения манипуляторов. В свою очередь, в ходе работы на пульт оператора от манипуляторов по­ступает оперативная информация о выполнении отдельных этапов программы.

Основной частью алгоритмической системы является программа центрального диспетчера, которая осуществляет распределение ма­шинного времени между отдельными группами автоматических ма­нипуляторов различных рангов, связь между ними и с оператором (каждой группой манипуляторов управляет своя программа- диспетчер, которая подчинена программе центрального дис­петчера) .

Описанная система группового управления предназначена для управления манипуляторами с программным управлением и раз­рабатываемыми «очувствленными» автоматическими манипулято­рами. Для управления последними предусмотрен, в частности, ре­жим супервизорного управления со стороны оператора с системой целеуказания на телевизионном экране, расположенном на пульте оператора. Оператор имеет возможность наблюдать на экране ход выпол­нения манипулятором заданных действий, оперативно координиро­вать эти действия в случае необходимости или полностью управ­лять наиболее сложными операциями.

Устройство технического (корреляционного) зрения (ТЗ), ко­торое может быть использовано при конструировании адаптивных систем управления, разработано Сибирским физико-техническим институтом для робота, созданного научно-производственным объ­единением «Комплекс». Оно используется для анализа визуальной информации в процессе определения позиционных координат, уг­ловой ориентации изделий и определения их положения на конвей­ере. Принцип действия ТЗ основан на сравнении текущего и эта­лонного изображений. Текущее изображение (ТИ) формируется с помощью телевизионной камеры, а эталонное изображение (ЭИ) соответствует требуемому положению груза.

Цикл опознавания включает следующие операции: запись изо­бражения на экран видеокамеры, совмещение сравниваемых изобра­жений— определение угловой ориентации груза; распознавание де­талей. Две последние операции выполняются органом сравнения,, а оценка координат в прямоугольной системе — блоком.

От видеокамеры в систему поступает видеосигнал. Преобразо­ватель изображения по сигналу от блока управления режима ра­боты осуществляет обработку ТИ — представления его в виде кон­тура, совокупности точек. Коррелятором формируется корреля­ционная функция текущего и эталонного изображений. Оптическое изображение с помощью этой функции преобразуется телевизион­ным устройством в последовательность электрических сигналов.

Операция распознавания осуществляется на основе анализа нор­мированной корреляционной функции. Грубые значения текущих линейных координат, получающиеся вследствие непрерывного вра­щения эталонного изображения, уточняются блоком корректировки координат путем перевода полученных координат в систему коор­динат, связанную с ЭВМ.

Наиболее эффективно использовать ТЗ при создании адаптив- *

ных ПР. Описываемое устройство ТЗ может функционировать в со­четании с горизонтальными, вертикальными, непрерывными и пульсирующими конвейерами.

Точность определения линейных координат деталей в зависимо­сти от их формы составляет 3—5% величины допустимого смеще­ния детали в плоскости конвейера.

, Точность определения угловой ориентации детали 2—3° при по­вороте детали на 360°. Длительность цикла определения коорди­нат 0,6 с.

Однако наиболее сложной проблемой конструирования пере­движных Г1Р так называемых транспортных роботов (ТР) с нефик­сированной траекторией движения являются прокладка и выбор трассы перемещения робота.

Для программирования трас­сы движения робота применяют индуктивные, фотоэлектриче­ские, лазерные устройства, а также системы телемеханики. При управлении ПР на расстоя­нии до 100 м используют эф­фект, основанный на действии индукционного поля. Этот эф­фект с использованием средних частот до 250—400 кГц включи­тельно проявляется на расстоя­нии 1/10 длины волны. Мощность излучателя до 60 Вт. Подобная система телемеханики невоспри­имчива к частотным помехам внешней среды.

Т

Рис. 3.8. Схема планирования трассы транспортного робота

рассу движения прокладыва­ют также металлической фоль­гой, флюоресцирующими соста­вами, которые наносят в виде по­лос на потолке складского поме­щения. Все перечисленные спосо­бы автоматического вождения называются пассивными. При применении активных, динамиче­ских способов стабилизации кур­са система управления движе­нием робота с помощью сенсорных элементов опознает трассу, создает план-карту местности и планирует оптимальный и без­опасный маршрут. При динамическом способе сенсоры робота «видят» лишь ограниченные участки трассы.

В самом общем виде идея управления движением ТР состоит в том, что сенсорные элементы робота, которые представляют со­бой систему восприятия, опознают трассу, определяют положение робота и формируют вектор наблюдений.

Информация, полученная датчиками, сравнивается с програм­мой, которая может определять или полностью весь маршрут дви­жения, или конечную позицию робота. В итоге анализа информа­ции с помощью системы управления строится план местности и вы­бирается дальнейший путь движения.

Возможные маршруты движения ПР обычно изображаются и задаются в виде ориентированного графа. В этом случае задача со­стоит в том, чтобы на графе путей выбрать маршрут минимальной протяженности или минимальный по затратам времени маршрут.

Рассмотрим одну из таких идей, положенных в основу плани­рования трассы транспортного робота (рис. 3.8) [5—7].

Система состоит из нескольких основных блоков. В блоке 2 ана­лиза карты местности используется ряд эвристических процедур для выявления контуров, ограничивающих запрещенные области движения робота (блок 3). В результате анализа для движения ПР формируются области, которые аппроксимируются многоуголь­никами. Блок 4 формирования графа строит множество опорных точек и матрицу расстояний между ними. Опорными точками со­поставляются вершины графа — углы многоугольника. Бесконечные элементы матрицы характеризуют отсутствие видимости и возни­кающие препятствия на трассе. Таким образом формируется граф, содержащий всю информацию о местности.

Задача планирования маршрута движения сводится к поиску оптимального пути на графе, ребрам которого соответствует опре­деленная стоимость. Для решения задачи по выбору оптимально­го маршрута на графе используется алгоритм динамического про­граммирования (блок 5). В результате работы блока 5 строится матрица расстояний для различных оптимальных по стоимости трасс.

Для работы блока выбора оптимального маршрута вводится ин­формация о координатах положения (блок 6) и конечной цели (блок 7). С учетом исходной информации строится новая матри­ца— оптимальная трасса (блок 5), которая реализуется в виде про­граммы движения, и отрабатывается ПР.

На рис. 3.9, а приведена структурная схема автоматического уп­равления ТР, которая предусматривает измерение не только пара­метров трассы, но и массы груза, температуры наружной среды, давления и ускорения. На основании полученной информации сис­темой управления выбирается оптимальный режим движения робота.

Построенная на рис. 3.9, б обобщенная функциональная схема выбора маршрута ТР и его контроля включает следующие основ­ные подсистемы:

1. подсистему моделей маршрутов и правил движения по воз­можным трассам, включающую модель внешней проблемной среды, в качестве которой используется граф с известной структурой и па­раметрами среды; для региональной навигации и ориентирова­ния— модель с известной структурой и неизвестными параметра­ми; для планирования локального маршрута — совокупность пра­вил дорожного движения;

2. подсистема планирования, состоящая из трех блоков: блока планирования и синтеза маршрута на заданной конфигурации пу­тей, в процессе которых осуществляется коррекция курса; блоков опознавания фактической позиции ТР с точностью до участка меж­ду перекрестками дорог, проездов на складе; блока координации, очередности работы блоков всех подсистем или по жесткой про­грамме, или в рамках функционирования искусственного интел­лекта;

подсистема ориентирования, уточняющая положение ТР на трассе по данным текущей информации, передаваемой из подсис­темы восприятия, и априорной информации, поступающей из коор­динатора подсистемы моделей дорог и правил движения.

Полезно более подробно остановиться на процедуре выбора маршрута движения ТР, если конфигурация трассы на складе за­дана матрицей (рис. 3.10).

Особенностью планирования маршрута движения ТР в зоне хранения и на грузовом фронте ТСК является достаточная детер­минированность трассы при известных начальной и целевой пози­циях. При строгой планировке территории заранее известны коор­динаты проездов, их пересечения, где изменяется направление дви­жения, длина прямолинейных участков. Все это дает основание запрограммировать и задать маршрут движения робота, построить в памяти бортового микропроцессора модель трассы. При отработ ке программы задача состоит в том, чтобы с помощью сканирую­щих устройств — датчиков — контролировать ее выполнение.

В виде матрицы смежности А¹ построена модель планировки модуля складского комплекса. Препятствия на маршруте робота, штабели или стеллажи обозначены знаком оо, проезды цифрами 1. Каждой клетке матрицы присвоены определенные координаты. По­добная формализация удобна для построения динамической модели трассы движения в памяти ЭВМ. На основании матрицы смежно­сти (или инцинденций) можно построить график возможных мар­шрутов движения. Клетка матрицы в каждом конкретном случае движения транспортного робота может представлять собой некото­рую вершину графа с координатами ij; а длина отрезка пути — расстояние между клетками ( ) —ребро К, К+1. Каждому ребру сопоставляется стоимость Ск,к+1, которая выражает, напри­мер, расстояние перемещения груза. Если А₀ (клетки 1, 1) и Б₀ (клетки 4, 7) — исходная и конечная точки маршрута транспортного робота, то согласно модели, изображенной в виде матрицы ЭВМ планирует оптимальный вариант трассы. На матрице А² изображе­ны варианты маршрута движения робота, которые рассчитывает ЭВМ. Символы ,φ₂ и , αг показывают точки изменения направ­ления движения робота с координатами соответственно 1,4; 4,4 и

1,8; 4,8. Оптимальный маршрут движения транспортного робота на матрице А² очевиден и показан сплошной линией.

Для обслуживания объектов со слабо упорядоченной структу­рой, когда грузы неодинаковы по форме и занимают различное по­ложение в пространстве, эффективны адаптивные системы управ­ления ПР. Главная особенность адаптивной системы управления — способность опознавать груз через систему сенсорных устройств и учитывать состояние внутренней и внешней среды.

К типичным примерам таких объектов можно отнести ситуации, связанные с идентификацией рассредоточенных грузов, перемещае­мых конвейерами, манипуляторами, опознавание и захват грузов, транспортируемых подвесными конвейерами, захват неориентиро­ванных или слабо ориентированных грузов в контейнерах или на поддонах и т. д.

Как указано выше, система управления располагает различны­ми типами сенсоров.

Особенностью схемы адаптивного управления ПР, показанной на рис. 3.11, а, является наличие двух контуров управления: внеш­него, по которому поступает информация от внешней среды, объ­екта управления, и внутреннего, который служит для контроля со­стояния рабочего органа ПР — манипулятора. В первом, внешнем контуре функционируют сенсоры, иденсифицирующие объект и оп­ределяющие положение груза, во втором контуре сенсоры определяют позицию манипулятора, его скорость и вращающий момент.

В адаптивных системах управления ПР второго и третьего по­колений важную роль выполняют сенсорные устройства — аналоги органов чувств человека.

С помощью сенсоров измеряют угловые, линейные перемещения звеньев, скорости, ускорения и тяговые усилия и моменты. Функ­ции сенсоров выполняют потенциометры, тахометры, генераторы импульсов, устанавливаемые на соответствующих звеньях. Кине­матические параметры измеряют также бесконтактными элемен­тами.

В зависимости от места установки сенсоры сил разделяют на три группы: сенсоры усилий, захвата, используемые для регулирова­ния силы нажатия рабочего органа на груз; сенсоры для опреде­ления моментов, действующих на звенья манипулятора, и сенсоры сил и моментов, действующих на транспортирующий груз. Усилия могут определяться измерением деформации и силы тока в двига­теле привода. С этой целью используют тензокристаллы или тен­зодатчики.

К каждой группе сенсоров относятся системы электронно-опти­ческих преобразователей, предназначенных для изображений объ­ектов в трехмерном измерении с выбором из них наиболее харак­терных признаков. С помощью указанных сенсоров могут решать­ся задачи идентификации, ориентации объекта относительно робота.

На рис. 3.11,6 приведена обобщенная структурная схема управ­ления ПР второго поколения. Принцип действия системы очевиден и не требует комментариев.