Разработка аппаратно-программного роботизированного комплекса многофункционального робота

Аннотация

В статье рассматриваются основные аспекты истории развития робототехники являются, понятие промышленный робот, а также ГОСТы, касающиеся промышленных роботов и их компонентов выбраны. Данная статья также охватывает разработку конструкции промышленного робота на базе устройства "Пума-560", определение узлов и их систем координат.

История роботов начинается еще до нашей эры. Изобретение первого робота принадлежит греческому философу и ученому Архиту Тарентскому. Он задумал создать деревянную механическую птицу, которая бы приводилась в движение с помощью пара и могла взлетать на высоту до 200 метров. Это было в 4 в. до н.э.

Первого человекообразного робота (которые также называются андроидами) в 1495 году сконструировал Леонардо да Винчи. Его механический человек внешне был похож на рыцаря, умел двигать руками и поворачивать голову. По эскизам современные ученые воссоздали этого робота.

В первой половине 18 в. французский механик Жак де Вокансон (JaquesdeVaucanson) создал известную утку Вокансона, очень похожую на настоящую птицу, а также андроида, который играл на флейте. Вдувая воздух и перебирая пальцами в определенной последовательности клапаны флейты, он исполнял 11 различных мелодий.

Первые роботы, с которых началась современная робототехника, появились в конце 40-х годов. В Окриджской и Аргоннской национальных лабораториях были начаты исследовательские программы по созданию дистанционно управляемых механических манипуляторов для работы с радиоактивными материалами. Разрабатывались манипуляторы копирующего типа, предназначенные для точного воспроизведения движений руки и кисти человека-оператора. В систему входили задающий и копирующий манипуляторы. Задающий манипулятор приводился в движение человеком-оператором, при этом копирующий манипулятор воспроизводил с максимальной точностью все движения задающего [1].

С середины 50-х годов механические способы введения обратной связи были заменены электрическими и гидравлическими. Затем разработали более сложные системы, способные выполнять многократно повторяющиеся операции в автономном режиме.Джордж С. Девол сконструировал устройство - манипулятор, функционирование которого задавалось программой в виде последовательности элементарных движений, определенных командами этой программой. В 1959 г. фирмой «Юнимейшн» был выпущен первый промышленный робот. Основная идея при создании этого устройства заключалась в совмещении манипулятора с компьютером, что позволило получить машину, которую можно было «обучать» автоматическому выполнению разнообразных работ. Изменение выполняемых роботом операций осуществлялось путем относительно недорогого перепрограммирования и переоснащения.

В конце 60-х – начале 70-х в Стэндфордском университете разрабатывается робот Шейки (Shakey) – первый универсальный мобильный робот, способный рассуждать над своими действиями. Если другие роботы должны были иметь инструкцию для каждого конкретного шага, то Шейки мог анализировать команды и разбивать их на простые части. Таким образом, это был первый робот, который соединил логический анализ и физические действия. [4]

Первые промышленные роботы с развитым очувствлением и микропроцессорным управлением появились на рынке и получили практическое применение в 1980-1981 гг., прежде всего на сборке, дуговой сварке, контроле качества. С начала 70-десятых начинается развитие в роботах технического зрения и элементов искусственного интеллекта. Это было связано с применением телевизионных камер.

В это же время в ряде других стран создаются подобные экспериментальные установки интегральных роботов, включающих в себя манипуляторы, управляющие ЭВМ, различные средства очувствления и общения с человеком-оператором, которые предназначены для проведения исследований в области искусственного интеллекта и создания интеллектуальных роботов.

Приблизительно в этот период Вилл и Гроссман из фирмы ИБМ разработали управляемый компьютером манипулятор с тактильными и силовыми датчиками, предназначенный для сборки пишущей машинки, состоящей из 20-ти деталей. В Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института проводились работы, связанные с использованием сигналов обратной связи от силовых датчиков. Для обеспечения правильного начального положения схвата при проведении высокоточных сборочных работ использовался метод поисковой навигации в ближней зоне.

Что же касается роботов-андроидов, то в современном мире одним из самых ярких представителей является ASIMO, созданный японской корпорацией Honda, который, начиная с 2000 г., постоянно совершенствуется, и обладает такими навыками, как распознавание окружения, движушихся объектов, жестов, звуков, лиц; умеет передвигаться со скоростью до 7 км/ч, а также ходить по лестнице, умеет пользоваться интернетом и т.д.

Японская компания Sony объявила в 2000 году объявила о создании нового поколения роботов-собак, которые понимают на слух около 50 команд и даже могут фотографировать то, что видят своими глазами-камерами.[7]

В апреле 2003 года в Японии, в городе Иокогамае, прошла четвертая по счету выставка роботов «Robodex». На ней выставились: роботы-домохозяйки, роботы-клоуны и роботы-охранники. Гвоздем выставки стал робот SDR-4X фирмы Sony. Создатели стараются сохранить за ним репутацию массовика-затейника: в новую модель заложены 10 песен, 1000 телодвижений и 200 интерактивных диалогов.

В 2004 году прошли гонки автомобилей без водителей от Лос-Анжелеса до Лас-Вегаса – это одно из значительных событий в робототехнике.

В этот период Пентагон значительно увеличил финансирование для проектов по созданию боевых роботов.

С 2005 года в Ираке и Афганистане находились от 50 до 100 роботов-саперов, которых использовали для разминировки полей и уничтожения боеприпасов противника.

Американские марсоходы Spirit и Opportunity провели в 2004 году научную миссию по исследованию Красной планеты. Оба аппарата исследовали метеоритные кратеры, вели поиск интересных объектов для подробного изучения, обнаружили свидетельства наличия воды на Марсе. Перечень удивительных достижений в области робототехники можно продолжать очень долго [2].

В настоящее время робототехника представляет собой значительно обширную часть науки. Она включает в себя вопросы кинематики, динамики, планирования стратегий, языков программирования, и искусственного интеллекта.

Сегодня представляется несомненным, что РТК в принципе могут обладать всеми основными чертами интеллектуальных систем. Более того, некоторые современные РТК (вместе с соответствующим алгоритмическим и программным обеспечением их системы управления) уже обладают, по крайней мере частично, этими чертами. Такие РТК и связанные с ними СИИ легко и быстро справляются с решением отдельных интеллектуальных задач.

Главная трудность при создании робототехнических СИИ заключается не в отсутствии адекватной элементной базы и средств вычислительной техники, на которых их можно построить, а скорее в не разработанности или несовершенстве алгоритмического и программного обеспечения, определяющего уровень интеллекта РТК. Поэтому ниже основное внимание уделяется описанию методов алгоритмического синтеза робототехнических СИИ.

Необходимо подчеркнуть, что возможности интеллекта РТК (как, впрочем, и возможности интеллекта человека) принципиально ограничены. Это связано с тем, что объем памяти, скорость запоминания и считывания информации в системах управления РТК на практике ограничены. Кроме того, далеко не всегда удается найти эффективные алгоритмы решения интеллектуальных задач. Тем не менее благодаря способностям к обучению и адаптации робототехнические СИИ обладают большой гибкостью и могут быстро осваивать новые "профессии", автоматизируя соответствующие интеллектуальные функции человека.

В области робототехники также происходит смена поколений. В книге И.М. Макарова и Ю.И. Топчиева выделяются 4 поколения промышленных роботов:

1. Роботы с циклическим управлением без обратной связи, выполняющие неоднократно одинаковые операции.
2. Роботы с обратной связью, выполняющие разные операции.
3. Обучаемые роботы. Обучение таких роботов движению по разным траекториям и различным захватам осуществляет оператор.
4. Интеллектуальные роботы. Такие роботы могут находить нужные детали, оценивать обстановку и принимать наилучшие решения [3].

Растущие потребности производства в выпуске качественной продукции обуславливают все более широкое применение в промышленности средств автоматизации, в основе которых лежит вычислительная техника. Все больший интерес проявляется к использованию роботов, способных выполнять различные производственные функции в обстановке гибкого производственного процесса при более низких материальных затратах. Робот представляет собой перепрограммируемый универсальный манипулятор, снабженный внешними датчиками и способный выполнять различные работы. Это определение предполагает наличие у робота интеллекта, обусловленного заложенными в компьютер алгоритмами систем управления и очувствления.

Промышленный робот представляет собой универсальный, оснащенный компьютером манипулятор, состоящий из нескольких твердых звеньев, последовательно соединенных вращательными или поступательными сочленениями. Эта цепь одним концом соединена с основанием манипулятора, другой ее конец свободен и снабжен инструментом, позволяющим воздействовать на объекты манипулирования или выполнять сборочные работы. Движение в сочленениях манипулятора вызывает относительное перемещение его звеньев. С точки зрения механики робот состоит из руки (несущей конструкции) и узла запястья, оснащенного инструментом. Он может воздействовать на объекты, расположенные внутри его рабочего объема. Под рабочим объемом робота подразумевается область пространства, в каждую точку которой рука робота может доставить блок запястья. Обычно рука робота обладает тремя степенями свободы. Комбинацией перемещений по этим степеням свободы обеспечивается перенос узла запястья в заданную точку рабочего объема. Узел запястья обычно обладает тремя вращательными степенями свободы. Комбинацией вращений в узле запястья обеспечивается необходимая для работы с объектом манипулирования ориентация инструмента. Три угловых движения, реализуемые узлом запястья, часто называют тангажем, рысканьем и креном. Таким образом, рука шестизвенного робота обеспечивает нужное положение инструмента, а узел запястья – его правильную ориентацию [5].

Главной целью выполнения работы есть исследования возможностей создания специальных машин широкого назначения, способных к выполнению умных и механических действий, подобных действиям и операциям, выполняемым человеком, работающим на компьютере: получает и перерабатывает звуковую, речевую и визуальную информацию и одновременно манипулирует либо устройствами компьютера, либо документами или предметами, которые необходимо перекладывать с места на место, либо выполнять сложные действия разнообразного характера, либо вести поиск в сетях по заданным целевым назначениям. Примером может служить работа обычного работника, который на протяжении всего рабочего дня тасует банковские платежные поручения, или собирает (складывает) с множества деталей какое-либо устройство, не требующее творческой мысли или расчетов.

Предусмотрено выполнение следующих комплексных исследований, которые вместе должны составить единую систему сложной машины нового типа – роботокомпьютера, или бюстера: выявить общую структурно-функциональную схему построения машины, требования к ее механической и информационной построению, требования к программному обеспечению – общие и специальные; схему общего управления работой машины на базе полученной звуковой, речевой и визуальной информации и информации из сети с соответствующим программным обеспечением работы системы.

Исследования предусматривается вести по следующим этапам создания блоков – составляющих общей системы машины:

• блок бинаурального слуха;
• блок распознавания речи;
• блок распознавания образной визуальной информации;
• блок сетевой информации;
• блок механических устройств: манипуляторов, поворотных механизмов;
• блок семантико-синтаксического анализа естественноречевых текстов роботизированного компьютера.

Совокупность перечисленных выше блоков может реконфигурировать основной блок, в качестве которого будет выступать обычный компьютер в минимальной конфигурации: процессор, монитор, клавиатура, мышь.

В процессе работы с системой предусмотрено использование ранее полученных результатов по каждому блоку, а также выполнение дополнительных исследований, если будут необходимы для функционирования созданной системы бюстера (полуробота), особенно его механической системы.

Предусматривается следующие этапы исследований и разработок:

• создание подсистемы бинаурального слуха и соответственной системы управления в основном блоке и управление механическим блоком;
• создание подсистемы распознавания речи и соотвествующей системы управления в основном блоке и управление механическим блоком;
• создание подсистемы распознавания зрительных образов и соотвествующей системы управления в основном блоке и управление механическим блоком для манипуляции с документами или другими объектами;
• создание блока восприятия, получения и обработки сетевой информации с соответствующими обеспечивающими устройствами или элементами и связанными с механическим блоком и блоком управления бюстера;
• создание механического блока бюстера для выполнения разнообразных действий-манипулятора и вращения вокруг вертикальной оси при реализации управленческих команд бюстера, предусматривается создание двух манипуляторов, которые могут выполнять как синхронно, так и каждый отдельно по своим командам и потребностям, предусматривается, что вся машина-бюстер будет смонтирована на одной опоре и может вращаться около вертикальной оси на все 180 градусов как влево, так и вправо.

Общим методом для всех блоков предусматривается виртуальное моделирование как самой машины, так и ее отдельных ее блоков с одновременным применением известных методов, которые используются при создании систем распознавания зрительных и речевых образов. Механическая часть будет конструироваться по опытным экспериментальным созданным исследовательским образцам разнообразных роботов, имеющимся у специалистов в институте.

Итог – создание нового типа машин-автоматов, роботов и полуроботов (бюстеров), способных к выполнению сложных работ или операций информационно-механического характера, подобно человеку, который получает сетевую, звуковую, речевую или визуальную информацию окружающего мира или из документов или команд и выполняет операции по составлению разнообразных вещей и перекладыванию их с места на место. Будут созданы виртуальные модели некоторых действий и движений роботизированного компьютера, который действует подобно человеку, работающему за обычным компьютером.

Будет создан исследовательский образец роботизированого компьютера в виртуальном исполнении, который при благоприятных условиях финансового и технического обеспечения может быть преобразован на действующий исследовательско-конструкторский образец с соответствующей конструкторской документацией. Согласно ГОСТ 12.2.072-98 Роботы промышленные, роботизированные технологические комплексы п. Требования к конструкции промышленных роботов и их составным частям.

Общие требования

1. ПР, предназначенные для эксплуатации в условиях повышенной запыленности и температуры воздуха (окружающей среды), наличия взрывоопасных смесей и в других неблагоприятных условиях производственной среды, должны иметь защитное исполнение, соответствующее условиям эксплуатации.
2. Защита в случае возникновения неисправности.

   При этом системы управления ПР должны соответствовать ГОСТ 27487.

   К функциям обеспечения безопасности, например, могут относиться:

   • ограничение диапазона перемещения;
   • аварийное и предохранительное отключение;
   • перемещение ПР на пониженной скорости;
   • защитная блокировка.
3. Конструкция ПР должна исключать возможность травмирования лиц и обслуживающего персонала быстроперемещающимися элементами. При невозможности выполнения этого требования быстроперемещающиеся элементы ПР или все рабочее пространство должны быть закрыты защитными ограждениями.
4. Пространство, требующее ограждения, должно быть определено исходя из степени риска выхода рабочих органов ПР за пределы рабочего пространства.
5. Пульты управления должны быть установлены за пределами огражденного пространства. Если это условие невыполнимо, то должны быть приняты дополнительные меры для обеспечения безопасности обслуживающего персонала, находящегося в огражденном пространстве.
6. Конструкция ПР должна обеспечивать удобную установку ограничителей диапазона перемещения ПР по основным осям. Устройства, ограничивающие диапазон перемещения подвижных элементов ПР, должны надежно крепиться в любом требуемом положении.

   Способ ограничения диапазона перемещения ПР должен удовлетворять одному из следующих условий:

   • механические упоры должны останавливать ПР в любом заданном положении при транспортировании ПР детали номинальной массы на максимальной скорости;
   • другие способы ограничения диапазона перемещения (использование системы управления ПР, конечных выключателей по ГОСТ 27487 и пр.) должны применяться только в том случае, если они обеспечивают тот же уровень безопасности, что и механические упоры.
7. Если для ограждения рабочего пространства ПР используются механические упоры, конечные выключатели или система управления ПР, то они должны соответствовать требованиям.
8. Рабочие органы ПР должны отвечать следующим требованиям:
   • прекращение подачи питания не должно приводить к отпусканию груза или к возникновению другой опасной ситуации;
   • статические и динамические нагрузки, создаваемые совместно грузом и рабочим органом (например, схватом), должны быть в пределах грузоподъемности и динамической характеристики ПР.
9. Если во время работы ПР должны выполняться ручные операции, например, для загрузки деталей, то загрузочные устройства должны быть расположены так, чтобы оператор не мог попасть в рабочее пространство или для этих операций должны быть предусмотрены соответствующие предохранительные устройства.
10. Электрическое, гидравлическое и другое оборудование, которое может представлять опасность, должно быть закрыто крышками или кожухами, для съема которых должен применяться инструмент.
11. ПР массой более 25 кг или имеющие два габаритных размера более 600 мм должны иметь специальные элементы (например рым-болты, отверстия под рым-болты и др.) для безопасного внутрицехового транспортирования. Эти элементы должны быть расположены с учетом центра тяжести ПР.
12. Элементы ПР, предназначенные для его крепления, должны обеспечивать устойчивую работу ПР на всех предусмотренных режимах.
13. Шумовые характеристики ПР – по ГОСТ 12.1.003.
14. Уровни вибрации, возникающей на рабочем месте оператора, обслуживающего ПР – по ГОСТ 12.1.012.

Исходя из вышеперечисленных ГОСТов разработаем промышленный манипулятор.

Разрабатываемый промышленный робот представляет собой универсальный электромеханический манипулятор, который оснащен компьютером. Манипулятор содержит 12 звеньев, связанных поступательными и вращательными сочленениями (рис. 2). Звенья манипулятора представлены твердыми телами, описываемыми множествами кинематических и динамических параметров. Движение в сочленениях манипулятора вызывает относительное перемещение его звеньев. С точки зрения механики робот состоит из двух рук (несущей конструкции) и узлов запястьев каждой руки, оснащенных инструментами (рис. 3).

Он может воздействовать на объекты, расположенные внутри его рабочего объема. Под рабочим объемом робота подразумевается область пространства, в каждую точку которой «руки» робота могут доставить блок запястья. Обычно рука робота обладает тремя степенями свободы. Комбинацией перемещений по этим степеням свободы обеспечивается перенос узла запястья в заданную точку рабочего объема. Узел запястья обычно обладает тремя вращательными степенями свободы. Комбинацией вращений в узле запястья обеспечивается необходимая для работы с объектом манипулирования ориентация инструмента. Три угловых движения, реализуемые узлом запястья, часто называют тангажем, рысканьем и креном. Таким образом, каждая рука шестизвенного робота обеспечивает нужное положение инструмента, а узел запястья – его правильную ориентацию.

Данное устройство – антропоморфный манипулятор с одинадцатью степенями подвижности, способный выполнять самые разные движения. Звенья манипулятора соединяются друг с другом в суставах, и вращаются вокруг осей систем координат, проходящих через центры суставов. Манипулятор имеет две системы координат, в отношении которых он двигается: основную систему координат и систему координат инструмента (рис.4).

Для управления движением манипулятора необходимо постоянно контролировать положение и скорость движения звеньев. Согласно ГОСТу 30097-93 Роботы промышленные. Системы координат и направления движений. Стандарт устанавливает три системы координат промышленных роботов, номенклатуру и обозначение осей и предназначен для использования при монтаже, испытании и программировании. Согласно ГОСТу система координат основания должна быть обозначена X1-Y1-Z1, начало базовой системы координат должно быть определено изготовителем, ось Z1 направлена перпендикулярно установочной плоскости основания в тело робота, ось Х1 должна проходить через проекцию центра.

Основная система координат механического манипулятора состоит из трёх перпендикулярных друг к другу осей (X, Y, Z), пересекающихся в плече манипулятора. Основная система координат не движется при пересечении звеньев манипулятора. Она используется, например, при обучении робота новым точкам [7]. Система координат инструмента также состоит из трёх пересекающихся осей, но пересекающихся во фланце кисти. Она движется с фланцем по движениям манипулятора. Система координат инструмента тоже может использоваться при обучении робота новым точкам.

Literature

1. http://introbots.com.ua
2. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. Пер. с англ. — М.: Мир, 1989г. — 624 с.
3. Юревич Е.И. Основы робототехники. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 416с.: ил.
4. Василенко Н.В., Никитин К.Д., Пономарёв В.П., Смолин А.Ю. Основы робототехники. ТОМСК МГП «РАСКО». — 1993 г.
5. Тимофеев А.В, Адаптивные робототехнические комплексы. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1988.332 с.
6. Афонин В.Л., Макушкин В.А. Интеллектуальные робототехнические системы. - М.: Изд-во "Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру", 2005. - 208 c.: ил.
7. Костюк В.И., Спыну Г.О., Ямпольский Л.С., Ткач М.М. Робототехника. –К. Высшая шк., 1994. – 447 с.:ил.