§ 11.6. Адаптивные робототехнические системы

При решении задач комплексной автоматизации производства большое значение придается робототехнике как эффективному и достаточно универсальному средству замены наиболее трудоемких, вредных или опасных для здоровья людей форм ручного труда, одновременно резко повышающему производительность труда, ритмичность производства и значительно улучшающему качество продукции. Наукой и промышленностью созданы самые разнообразные робототехнические системы — от простейших манипуляторов-автоматов До сложнейших кибернетических машин, подобных, например, луноходам, в которых технически реализован целый ряд функций, свойственных интеллектуальной деятельности человека, — анализ внешнего мира, планирование действий, принятие решений и т. п.

Роботы в зависимости от сложности их систем управления делятся на три поколения.

Первое поколение — роботы с программным управлением. При этом под программным управлением понимается жестко запрограммированная последовательность выполняемых операций. Такие роботы могут действовать лишь в хорошо организованной внешней среде.

Второе поколение — роботы, снабженные техническими органами чувств, или очувствленные роботы. Роль органов чувств выполняют разнообразные датчики — тактильные, силовые, визуальные, локационные и пр. Такие роботы могут работать как по заранее заданной программе, так и в зависимости от корректирующих команд, поступающих с информационных датчиков очувствления и сигнализирующих об изменениях состояний внешней среды или внутренних состояний самого робота. Главная особенность очувствленных роботов

тов — способность к адаптации и обучению в процессе функционирования, а следовательно, возможность работы в недостаточно упорядоченной, частично изменяющейся среде.

Третье поколение — роботы с техническим или искусственным интеллектом. Такие роботы являются дальнейшим развитием очувствленных адаптивных роботов. Они обладают развитыми средствами анализа окружающего мира и планирования своего поведения, что позволяет использовать их для работы в условиях значительной неопределенности и случайной организованности внешней среды.

Следует отметить, что к настоящему времени промышленностью хорошо освоено производство роботов первого поколения. Однако роботы второго и третьего поколений все еще находятся в стадии экспериментальных разработок, хотя очувствленные роботы уже пробивают себе дорогу в производственную практику. Прежде всего это относится к роботам, снабженным техническим зрением — телевизионным или фотооптическим. Как показывает опыт, зрительное очувствление значительно расширяет возможности робота по точности, гибкости и качеству управления. Устройства силомоментного и тактильного ощущения также начинают широко применяться в робототехнике. Такие системы очувствления, совмещенные с автоматами обучения и классификации, образуют эффективные системы адаптивного управления роботами.

Задача построения адаптивного управления роботом включает в себя три важных раздела: создание чувствительных информационных устройств, обработка информации с чувствительных устройств, синтез адаптивных законов управления.

Средства очувствления роботов. Необходимость создания средств очувствления для роботов можно понять, если представить себе, насколько беспомощен человек, лишенный зрения, слуха и способности чувствовать соприкосновения с окружающими предметами. Точно так же беспомощен и робот, не снабженный аналогами подобных ощущений в виде технического зрения, слуха и т. п. в условиях, когда предметы труда или окружающая обстановка не остаются неизменными или заранее известными для оператора, программирующего действия робота. Робот без систем очувствления не может искать требуемые предметы или детали среди других предметов, такой робот трудно заставить работать с высокой точностью, он не замечает препятствия и ломает их либо повреждается сам. Поэтому наделение роботов техническими органами чувств является естественным и в то же время эффективным средством

для успешного решение двух главных задач — повышения точности работы манипуляционного робота и. обеспечения автономности функционирования робота в самых различных изменяющихся условиях. Для того чтобы решить эти главные задачи, необходимо придать роботу ощущения двух, типов:

во-первых, робот должен чувствовать «себя», т. е.. с помощью датчиков фиксировать результаты всех своих движений и оценивать правильность этих движений; во-вторых, робот должен чувствовать окружающую обстановку, т. е. соотносить свое расположение и свои перемещения с расположением внешних для него предметов и их движениями.

Чувствительные датчики информации, используемые для создания ощущений указанных типов, называются сенсорными устройствами или просто сенсорами (от англ. sence — чувство, ощущение).

Ощущение роботом «себя» создают с помощью сенсоров в виде датчиков обратной связи, измеряющих положения отдельных узлов робота, скорости перемещения по каждой степени подвижности, величины ускорений либо торможений звеньев манипулятора.

Информация об окружающем пространстве создается с помощью сенсорных устройств, регистрирующих геометрические, физические или химические свойства окружающей среды и предметов труда. В настоящее время промышленность выпускает много самых разнообразных типов указанных сенсоров и их совершенствование продолжается. Кроме того, появляются новые и более интересные приборы, основанные на новых принципах и открытиях в области полупроводников, лазерной и ультразвуковой техники.

С позиций адаптивного управления роботами наибольший интерес представляют сенсоры второго типа, снабжающие робот информацией от внешнего по отношению к нему мира.

Сенсоры геометрических свойств выполняют целый ряд функций:

1. Ограничивают движения звеньев робота в результате соприкосновений или контактов робота с предметами во внешней среде. Сюда относятся так называемые тактильные датчики в виде концевых выключателей или пьезоэлементов.

2. Определяют расстояния до окружающих предметов или размеры и ориентацию предметов путем локационных измерений. К таким сенсорам относятся оптические, ультразвуковые и радиотехнические дальномеры, а также системы кабельного телевидения.

Сенсоры физических свойств выполняют функции: измерения усилий и моментов; измерения плотности и давления жидких, твердых и газообразных веществ; измерения температуры; определения цвета и запаха.

Сенсоры химических свойств определяют химический состав веществ с помощью анализаторов типовых химических реакций.

Несмотря на столь большое разнообразие сенсорных устройств, их использование для создания адаптивного управления роботами оказалось непростым главным образом по двум причинам: во-первых, из-за сложности технической реализации адаптивных законов управления средствами традиционной автоматики и, во-вторых, из-за экономически невыгодного пути, связанного с применением до недавнего времени больших ЭВМ для обработки информации в системах очувствления, адаптации и управления роботами

Современные сверхэкономичные и малогабаритные микропроцессорные средства управляющей и вычислительной техники открыли путь для более широкого внедрения в практику роботостроения более совершенных методов управления роботами со сложными, но легко реализуемыми на микропроцессорах алгоритмами обработки информации и адаптивного управления.