Устройства управления мехатронных систем/роботов

Эта статья — часть материалов: кафедры Факультет робототехники

Введение

Устройства управления роботами, как правило, делят на три типа, которые будут представлены ниже. Они же, в свою очередь, делятся еще на 3 подгруппы каждая. И каждая из них имеет своё предназначение, свои отличия, свои достоинства и недостатки, компромиссом между которыми и достигается наилучшее функционирование конкретной мехатронной системы при конкретных условиях и наличии тех или иных специалистов и материальных средств. Я считаю, что нельзя судить о системе управления только по её современности, качеству исполнения, нестандартной реализации и прочим внешним факторам. Каждому своё. А в некоторых случаях и вовсе нет выбора между несколькими видами устройств управления, например, если не позволяют условия работы робота разместить рядом оператора — к примеру, в зоне, которая поражена радиацией. Или если роботу дается огромное число внешне различных деталей, но у которых должен быть одинаковый принцип обработки - в таком случае критерий «самообучаемость» становится жизненно важным и необходимым. Или при работе на Луне, когда аппарат оказывается на обратной от Земли стороне нашего спутника и не имеет возможности получать команды от оператора с земли — в таком случае в него должна быть заложена программа, которая позволила бы ему самостоятельно продолжать работу/исследования/поиски, и при этом поддерживать свои системы жизнеобеспечения.

Типы управления робототехническими системами

По типу управления робототехнические системы подразделяются на:

1. Биотехнические:

командные
копирующие
полуавтоматические

2. Автоматические:

программные
адаптивные
интеллектуальные

3. Интерактивные:

автоматизированные
супервизорные
диалоговые

Первая категория

Первая категория - Биотехнические системы управления. Это категория, в которой манипулятор робота в точности копирует движение руки оператора. Это довольно удобно, так как человек-оператор может находиться на достаточно большом расстоянии от зоны выполнения работ, где ему может угрожать как опасность самых низких уровней (обольёт водой), так и средних (попадет в глаза раствором), так и высокой и смертельной (из-за аварии упадет какой-либо тяжелый агрегат). Также удобным фактором является то, что задачи можно выполнять с масштабированием (например, сантиметровое смещение руки оператора равно 5 см смещения манипулятора).

Командные - это подкатегория СУ, в которой управление реализуется при помощи рычагов и кнопок, каждая из которых отвечает за своё звено, или какую-либо функцию. Плюсы здесь являются обратной стороной минусов — с одной стороны можно очень точно выставить каждое звено в необходимое оператору положение, а с другой - сделать это занимает много сил, времени и усердия.
Копирующие - это подкатегория СУ, которые повторяют движения человека. Наиболее распространенным видом являются экзоскелеты, которые надеваются на всё тело, на несколько частей тела или на отдельную конечность. Обладают некоторой портативностью (хоть и далекой от идеала), что позволяет использовать их даже в повседневной жизни. Другой вид - это СУ, где движение передается задающим органом (например, рычагом) На данный момент, один из копирующих манипуляторов умеет поднимать до 3 тонн груза. Пример: экзоскелет XOS от компании Sarcos. Он увеличивает силу человека и позволяет с минимальной затратой сил переносить тяжелые физические нагрузки. XOS обладает продвинутой системой связи человека с механической частью, благодаря чему движения пилота и машины практически синхронны. Датчики мускульной активности со всех частей тела передают информацию на бортовой компьютер (находится на спине экзоскелета), который координирует все действия экзоскелета. В результате этого человек практически не испытывает усталости при физических нагрузках. Минус данной конструкции - огромное энергопотребление и ограниченность движений пилота.
Полуавтоматические - это подкатегория СУ, которая, по сути, является глубокой модернизацией предыдущих двух подкатегорий в том плане, что на систему устанавливается микро-ЭВМ, которая занимается вычислением движений робота, что позволяет с помощью одного рычага управлять всей кинематикой робота.

Вторая категория

Вторая категория - Автоматические системы управления. Это те СУ, которые способны работать без участия человека вовсе. Им достаточно заранее заложить схему поведения («делать что-то пока не …», «если …, то …, иначе ...»), задать последовательность, задать координаты и т.п. Такие роботы очень удобны в тех случаях, когда работа постоянная, цикличная и не меняется в процессе её выполнения. А также не нужно тратить деньги на оператора, да и скорости автоматические СУ достигают более высокой, чем прочие (где участвует человек). Не менее важно то, что при работе таких роботов повышается безопасность, так как участие человека в техническом процессе либо минимально, либо отсутствует вовсе.

Программные - это подкатегория СУ, в которой роботы имеют заранее заданную последовательность действий - программу. Позволяют с высокой скоростью, надежностью и эффективностью выполнять повторяющиеся действия. Главный плюс - легко перепрограммирываются, что повышает их адаптивность.
Адаптивные - это подкатегория СУ, которая является модифицированной версией программных. Главное отличие - это наличие адаптивного обеспечения: камер, ультразвуковых датчиков расстояния, датчиков касания, системы распознавания цвета/размера/образа и т.п. Всё это позволяет роботу самостоятельно корректировать свои действия и подстраиваться под изменения внешних условий.
Интеллектуальные - это подкатегория СУ, являющаяся еще более глубокой модернизацией предыдущих двух подкатегорий. Наиважнейшим отличием является возможность обратного общения с человеком, планирование и перепланирование поведения, навигация, самообучение и общение, взаимодействие с другими роботами и оборудованием, инструментами.

Третья категория

Третья категория - Интерактивные системы управления. Это «гибридные» СУ, которые основную массу времени работают как автоматические СУ, но при необходимости могут быть мгновенно переключены на управление человеком, или человек и автоматика работают поочередно. Отличительной чертой таких систем является тот факт, что оператор может подавать команды голосом, текстом и т.п. Одним из удобств можно назвать то, что робот при необходимости работает поэтапно, и он не перейдет к следующему этапу до тех пор, пока не получит команду-разрешение от оператора.

Автоматизированные - это подкатегория СУ, где могут чередоваться, кооперироваться и объединяться как автоматические, так и биотехнические признаки.
Супервизорные - это подкатегория СУ, в которой человек занимается интеллектуальной стороной работы (например, выбор средства реализации), а машина - вычислительной и непосредственно реализующей.
Диалоговые - это подкатегория СУ, где человек и робот работают в тесной кооперации, с постоянным диалогом между оператором и машиной. За счет этого человек всегда имеет наиболее точные данные о деятельности робота, а робот - четкое планирование и выбор стратегии поведения, реализованное совместными усилиями ЭВМ и человека. Робот, как правило, оснащен системой прогнозирования и выведения оператору информации о последствиях того или иного действия. Это так называемая «творческая» коллективная работа.

См. также

w:Робототехника

Источники