Лекції - Основи робототехніки (Укр)

Подождите немного. Документ загружается.

зворотного зв'язку: дотиком, зором, слухом, нюхом, запам'ятовуванням і т.п.

Виділені в найбільш загальному виді без зайвої деталізації ці п'ять відмітних

ознак досить повно визначають здатності й можливості робота як технічної

системи. При цьому три перших є зовсім невід'ємними ознаками будь-якого

робота, а два наступних - четвертий і п'ятий - тією чи іншою мірою можуть

бути властиві найбільш складним роботам. Таким чином, може бути дане

досить загальне й стисле визначення класу машин, іменованих роботами.

РОБОТ - це автономно функціонуюча універсальна автоматична

машина, призначена для відтворення фізичних, рухових і розумових функцій

людини, наділена здатністю до адаптації й навчання в процесі активної

взаємодії з навколишнім середовищем.

Робот - гарний приклад того, як сума раніше відомих складових

частин (маніпуляторів, ЕОМ, сенсорики) дає нову якість - принципово новий

тип технічного пристрою, що володіє в досить розвиненому варіанті

штучним інтелектом, штучними органами почуттів (сенсорика), здатністю

сприймати навколишнє середовище й активно впливати на неї, навчаючись і

вдосконалюючись у ході цього процесу. Роботів, а тим більше промислових,

повністю відповідному вищенаведеному визначенню, поки ще немає; широко

застосовувані роботи не мають пристрої типу органів почуттів людини й

здатністю мислити, а подібні розробки поки не вийшли зі стін наукових

лабораторій і не одержали широкого застосування. Однак наука й техніка

роблять упевнені кроки по шляху рішення однієї з фундаментальних проблем

робототехніки - створення що почувають і мислять роботів.

СКЛАД І СТРУКТУРА РОБОТА

Робот, активно взаємодіючий з навколишнім середовищем, у

загальному виді повинен містити наступні системи: керуючу, інформаційно-

вимірювальну (сенсорну), систему зв'язку, виконавчу (моторну).

Керуюча, або інтелектуальна система - це "мозок" робота, що служить

для вироблення законів керування механізмами виконавчої системи на основі

закладеної програми з урахуванням сигналів зворотного зв'язку від сенсорної

системи. Важливою функцією цієї системи є розпізнавання ситуацій і

моделювання середовища функціонування робота, планування дій і

прийняття цілеспрямованих рішень, програмування й оптимізація рухів, а

також організація спілкування робота з людиною й взаємодіючими

пристроями на тій або іншій мові. Керуючі системи роботів реалізуються на

базі пневматичних або електричних логічних елементів, аналогових і

цифрових систем, а в найбільш зробленому варіанті - на основі ЕОМ або

мікропроцесорів, що містять широкий набір вхідних (аналого-цифрових) і

вихідних (цифро-аналогових) перетворювачів і інтерфейсних каналів зв'язку,

число яких може коливатися від декількох десятків до декількох тисяч. По

цих каналах, як по нервових волокнах, передаються безперервні (аналогові) і

дискретні (цифрові) сигнали. Інтелектуальні й адаптивні можливості робота

визначаються головним чином алгоритмічним і програмним забезпеченням

керуючої системи.

Інформаційно-вимірювальна, або сенсорна система - це штучні органи

почуттів робота, призначені для сприйняття й перетворення інформації про

стан зовнішнього середовища й самого робота. Як елементи сенсорної

системи використовуються телевізійні й оптико-електронні пристрої, лазерні

й ультразвукові далекоміри, акустичні датчики й гідролокатори, тактильні,

контактні й індукційні датчики, а також датчики положення, швидкості, сил і

моментів, потенціометри, тахометри, акселерометри й т.п.

Система зв'язку - це "мова" робота, що служить для передачі сигналів

інформації між системами робота, а також для організації обміну

інформацією між роботом і людиною або іншими роботами й пристроями з

метою здійснення діалогу, формулювання завдань роботові, контролю за

функціонуванням його систем, діагностики несправностей, регламентної

перевірки й т.п.

Інформація від людини надходить звичайно через пристрій уведення

або пульт керування шляхом фізичного впливу (натискання кнопки або

клавіші, ключа телеграфного апарата й т.п.). Останнім часом усе ширше

починає застосовуватися мовне спілкування, а також уведення інформації за

допомогою біопотенциалів (біоуправління). Інформація від робота до

людини надходить, як правило, у формі світлових і звукових сигналів, а

носіями цієї інформації є різного роду табло, - цифрові індикатори, дисплеї,

телекамери й т.п. Результати лабораторних досліджень дають підстави

думати, що в найближчому майбутньому стане можливим мовне спілкування

з роботом на природній людській мові.

Сукупність керуючої, інформаційно-вимірювальної й системи зв'язку

утворить інформаційно-керуючу систему робота, що забезпечує обробку й

передачу інформації, і безпосереднє керування приводами й механізмами

виконавчої системи з метою організації активної взаємодії робота з

навколишнім середовищем і виконання завдань, сформульованих людиною.

Виконавча, або моторна система - це пристрої, призначені для

безпосереднього впливу на об'єкти навколишнього середовища або взаємодії

з ними відповідно до керуючих сигналів, що формулюються інформаційно-

вимірювальною системою або безпосередньо оператором. Як елементи

моторної системи використовуються приводи (двигуни), передатні пристрої

(передачі), пов'язані з ними механічні руки (маніпулятори), механічні ноги

(педикулятори), різні технологічні інструменти, графобудівники, візки з

колісним, гусеничним і іншими шасі й ін.

Лекція 3

ПОКОЛІННЯ РОБОТІВ

Незважаючи на те, що історія створення й розвитку сучасних роботів

нараховує деяким більше чверті століття, вони перетерпіли значну еволюцію,

як у змісті елементної бази, так і в змісті зміни їхньої структури, появи нових

можливостей і функцій, розширення областей застосування, характеру

використання. Тому зложилася традиція ділити історію розвитку й рівень

досконалості роботів на покоління. Варто обмовитися, що розподіл це досить

умовно й розуміти його треба в специфічному змісті. Так, деякі фахівці

думають більше правильним слово "покоління" замінити терміном "вид".

Однак не будемо порушувати сформовані в техніку традиції. Кожному

поколінню роботів властиві як певні характерні показники, так і певні сфери

застосування. Кожне наступне покоління роботів має більші можливості й

досконалістю, але не виключає попереднього; вони взаємно доповнюють

один одного й знаходять застосування відповідно своїм функціональним

можливостям і умовам економічної доцільності. До теперішнього часу

сформувалося три покоління роботів.

РОБОТИ ПЕРШОГО ПОКОЛІННЯ

Роботи першого покоління - це роботи із програмним керуванням (ПР

- програмні роботи), призначені для виконання певної, жорстоко

запрограмованої послідовності операцій, диктуемої відповідним

технологічним процесом. Керування такими роботами здійснюється по

заздалегідь заданій програмі, а виходить, при строго певних і незмінних

умовах експлуатації. Простота формування й зміни програми, тобто

можливість перенавчання, зробила таких роботів досить універсальними й

перебудовуються гнучко.

Однак функціональні можливості роботів першого покоління істотно

обмежені малими можливостями інформаційно-вимірювальної й

недостатньою досконалістю керуючих систем, у результаті чого здатність до

сприйняття зовнішнього миру й формуванню його моделі в програмних

роботів практично відсутній. Такі роботи не можуть функціонувати

самостійно: будь-яке відхилення від заздалегідь певних і заданих програмою

умов веде до збою й зупинки, а в найбільш важких випадках - до аварії й

виходу робота з ладу. В останні роки в цій групі стали виділяти більше

розвинутий варіант, називаний півтора покоління, оснащений деяким

набором елементів адаптації.

До роботів першого покоління відноситься переважна більшість

сучасних експлуатованих промислових роботів, за допомогою яких

здійснюється установка, зняття, транспортування виробів, механічна й

термічна обробка, найпростіші складальні операції, зварювання,

штампування, пресування, малодоходний, лиття під тиском, фарбування й

обробка й т.п. Вони добре справляються з обслуговуванням металорізального

встаткування (зокрема,- верстатів зі ЧПУ й обробних центрів), печей, пресів,

технологічних ліній, ливарних машин і ін., однак утрудняються виконувати

більше складні виробничі операції (наприклад, складальні, монтажні), що не

піддаються твердої регламентації процесу, тому що роботи першого

покоління принципово не можуть функціонувати автономно в

недетермінованій обстановці.

Успішне функціонування роботів із програмним керуванням можливо

лише при чітко певних умовах, створення яких вимагає введення

спеціального технологічного устаткування, вартість якого часто перевищує

вартість самого робота. Це ускладнює й здорожує роботизацію виробництва

й інших сфер діяльності людини, робить її менш гнучкої, тому необхідні

більше зроблені роботи, що володіють значно більше розвиненим апаратом

адаптації, більшою інформаційною потужністю, здатністю до адаптації й

самонавчання, тобто роботи другого покоління.

РОБОТИ ДРУГОГО ПОКОЛІННЯ

Роботи другого покоління - це адаптивні роботи (АР), призначені для

роботи з неорієнтованими об'єктами довільної форми, здійснення

складальних і монтажних операцій, збору інформації про зовнішнє

середовище. Вони відрізняються, по-перше, істотно більшим набором і

досконалістю як зовнішніх сенсорних датчиків (телевізійні, оптичні,

тактильні, локаційні й т.п.), так і внутрішніх (датчики положень "руки" або

"ноги" відносно "тіла" робота, датчики зусиль і моментів і т.п.) і, по-друге,

більше складною системою керування, що вимагає для своєї реалізації

керуючої ЕОМ. Невід'ємною частиною роботів другого покоління є їх

алгоритмічне й програмне забезпечення, призначене для обробки сенсорної

інформації й вироблення керуючих впливів.

Технічні органи почуттів , що входять в інформаційно-вимірювальну

систему роботів другого покоління, служать джерелом зворотних зв'язків для

керуючої системи; остання, обробляючи отриману інформацію, формує закон

керування виконавчими механізмами з урахуванням фактичної обстановки.

Таким чином, адаптивні роботи при відповідному апаратному,

алгоритмічному й програмному забезпеченні здатні розпізнавати "ситуації" і

автоматично пристосовуватися (адаптуватися) до заздалегідь не певним і

умов, що змінюються, експлуатації, тобто ставати адаптивними роботами,

при цьому їхні функціональні можливості можуть бути істотно розширені

шляхом нарощування програм обробки сенсорної інформації й адаптивного

керування.

Можливості роботів другого покоління, оснащених значним числом

датчиків зовнішньої й внутрішньої інформації й потужної керуючої ЕОМ з

розвиненим програмним забезпеченням, значно перевершують можливості

роботів першого покоління. Завдяки здатності "розпізнавати" зовнішню

обстановку, аналізувати сенсорну інформацію й пристосовуватися до умов,

що змінюються, експлуатації, адаптивні роботи можуть взаємодіяти з

неорієнтованими об'єктами в неупорядкованій обстановці, а виходить,

виконувати дослідницькі роботи, складальні й монтажні операції, збирати

інформацію про навколишнє оточення й т.п.

У цей час у лабораторіях і наукових центрах миру ведуться інтенсивні

дослідження з розробки технічного, програмного й алгоритмічного

забезпечення перспективних моделей адаптивних роботів. Особлива увага

при цьому приділяється системам технічного зору, тактильному й

силомоментній адаптації роботів, а також мікропроцесорної реалізації

алгоритмів обробки інформації й управління.

РОБОТИ ТРЕТЬОГО ПОКОЛІННЯ

Роботи третього покоління - це так звані інтелектуальні (ИР), або

розумні, роботи, призначені не тільки й не стільки для відтворення фізичних

і рухових функцій людини, скільки для автоматизації його інтелектуальної

діяльності, тобто для рішення інтелектуальних завдань. Вони принципово

відрізняються від роботів другого покоління складністю функцій і

досконалістю керуючої системи, що включає в себе елементи штучного

інтелекту.

Тут доречно звернутися до поняття штучного інтелекту. По

визначенню відомого вченого-кібернетика професори А.В. Тимофєєва, під

інтелектом розуміється здатність мозку вирішувати (інтелектуальні) завдання

шляхом придбання, запам'ятовування й цілеспрямованого перетворення

знань у процесі навчання на досвіді й адаптації до різноманітних обставин.

При цьому під інтелектуальними розуміються завдання, пов'язані з

відшуканням алгоритму рішення цілого класу завдань певного типу.

Діяльність же мозку, що володіє інтелектом, спрямовану на рішення

інтелектуальних завдань, будемо називати мисленням, або інтелектуальною

діяльністю.

У процесі рішення інтелектуальних завдань проявляються такі

характерні риси інтелекту, як здатність до аналізу й узагальнення, навчанню

й нагромадженню досвіду (знань і навичок), адаптації до умов, що

змінюються, у процесі інтелектуальної діяльності. Завдяки цим якостям

інтелекту, "мозок" може вирішувати різноманітні завдання, а також легко

перебудовуватися з одного завдання на іншу, будучи універсальним засобом

рішення широкого кола завдань (у тому числі неформалізованих), для яких

немає стандартних, заздалегідь певних методів рішень.

У процесі інтелектуальної діяльності людина постійно шукає шляхи й

засоби до досягнення тієї або іншої мети, намагається виробити план дій, або

алгоритм, випливаючи якому можна досягти цієї поки недоступної мети, і,

завдяки навчанню й досвіду, використовувати надалі вироблений алгоритм,

поширивши його для ефективного рішення вже цілого класу подібних

завдань. Саме здатність до подолання труднощів і перешкод, знаходженню

обхідних шляхів послідовного наближення до мети методом проб і помилок

там, де немає прямий і однозначний шляхи, відрізняє інтелектуальну

діяльність від неінтелектуальної.

Виникає принципове питання: чи можна моделювати інтелектуальну

діяльність, або, іншими словами, створити штучний інтелект? Сучасна наука

ствердно відповідає на це питання. Безсумнівно, що обчислювальні машини

й роботи в принципі можуть мати основні риси інтелекту. Більше того,

сучасні найбільш зроблені ЕОМ і роботи в сукупності з їх алгоритмічним і

програмним забезпеченням уже володіють, принаймні, частково, цими

рисами. Про подібні системи говорять, що вони містять елементи штучного

інтелекту. У самому загальному виді штучний інтелект - це сукупність

машинних автоматичних методів і засобів цілеспрямованої переробки

інформації (знань) відповідно до придбаного в процесі навчання й адаптації

досвідом при рішенні різноманітних інтелектуальних завдань.

Штучний інтелект робота можна трактувати як алгоритмічне й

програмне забезпечення його інформаційно-керуючої системи, що володіє

здатністю моделювати (відображати) навколишнє середовище й вирішувати

широкий клас інтелектуальних завдань за допомогою навчання на власному

досвіді й адаптації до умов, що змінюються, функціонування. У загальному

виді інтелектуальний робот здатний розуміти природну мову й вести діалог з

людиною, створювати в собі модель зовнішнього середовища, розпізнавати й

аналізувати образи й ситуації, формувати поняття, планувати поводження, на

підставі чого будувати програмні рухи виконавчої системи й здійснювати

їхнє відпрацьовування в умовах неповної інформованості.

Потреба в інтелектуальних роботах з'явилася лише в останні роки.

Якщо роботи другого покоління вже використовуються для ряду науково-

технічних розробок (наприклад, для космічних і глибоководних досліджень) і

їх починають застосовувати в промисловості, то роботи третього покоління

поки ще в процесі розробки. Однак в усьому світі ведуться інтенсивні

наукові дослідження зі створення й удосконалювання різних систем

інтелектуальних роботів: розпізнавання об'єктів, образів і ситуацій;

формування моделі зовнішнього середовища; вироблення доцільного

поводження в умовах невизначеності; надійного відпрацьовування рухів

виконавчими органами; самонавчання в процесі взаємодії із зовнішнім

середовищем і т.д.

Спроби створення роботів, здатних "бачити", оцінювати й аналізувати

навколишнє оточення, відповідно плануючи й здійснюючи свої дії, тобто

володіючих ознаками штучного інтелекту, початі ще в 1960-х рр. Одним з

перших успіхів на цьому шляху було створення в 1960 р.

експериментального робота "Шийки" у Станфордському науково-дослідному

інституті (США). Оснащений органами технічного зору й керований

оригінальною програмою робот STRIPS (Stanford Research Institute Problem

Solver - станфордський "вирішувач завдань") продемонстрував уміння

самостійно виробляти алгоритми для виконання завдань переміщення в

неорганізованому просторі приміщення, пошуку заданих об’єктів-блоків і їх

зіштовхування з височини за допомогою клиноподібного предмета. І хоча

робот діяв дуже повільно, довгостроково "обмірковуючи" свої дії, а

виконувані операції відрізнялися примітивністю, навіть такий рівень

експерименту зажадав застосування складної комп'ютерної програми STRIPS

і дозволив переконатися в принциповій можливості створення "мислячої

машини".

Лекція 4

КЛАСИФІКАЦІЯ РОБОТІВ

ПРОМИСЛОВІ РОБОТИ

Промислові роботи, у свою чергу, підрозділяються на три групи по

своїх ознаках: виробничі, або технологічні (ВПР), що виконують основні

операції технологічних процесів; підйомно-транспортні промислові роботи,

або допоміжні (ПТПР), що виконують допоміжні дії типу "взяти - перенести -

покласти"; універсальні (УПР), що виконують різні (і основні, і допоміжні)

операції.

По спеціалізації промислові роботи підрозділяються на спеціальні,

виконуючі строго певні технологічні операції або обслуговуючі конкретні

моделі технологічного встаткування; спеціалізовані, або цільові, призначені

для виконання технологічних операцій одного виду (зварювання, складання,

фарбування й т.п.) або для обслуговування певної групи моделей

технологічного встаткування, об'єднаних спільністю маніпуляційних дій;

універсальні, або багатоцільові, призначені для виконання як основних, так і

допоміжних технологічних операцій різних видів і з різними групами

моделей технологічного встаткування.

Тому що сучасне будівництво по ступені й стилю механізації

наближається до промисловості, будівельні роботи можуть бути включені в

цю групу. Вони призначені для автоматизації будівельного виробництва,

якому органічно властиве величезна кількість ручних операцій, як

допоміжних, так і основних.

У наш час у будівельному виробництві знаходять застосування різні

маніпулятори з керуванням оператором, а також промислові роботи для

виробництва будівельних матеріалів. Створення роботів для виконання

основних будівельних операцій, наприклад, монтажу будинків і споруджень -