Автоматизация роботов манипуляторов

В настоящее время наблюдается тенденция к отходу от биотехнических систем («человек – машина») к полностью автоматизированным механическим системам, где участие человека сводится к целеполаганию, настройке, при необходимости корректировки и устранению неисправностей. Автоматизированные роботы манипуляторы, как правило, оснащаются электромеханическими приводами (в настоящее время парк робототехники с таким типом привода составляет порядка 20% от общего количества промышленных роботов, но стремительно расширяется), а сами механизмы работают в ангулярной системе координат (перемещение в ней осуществляется за счет относительного поворота звеньев руки).

Промышленность давно освоила производство автоматизированных обрабатывающих роботов (например, металлорежущих станков), но разработчики, инженеры, программисты столкнулись с серьезными проблемами при попытке создания конструкции автоматического робота манипулятора, который мог бы перемещать заготовки и изделия между обрабатывающими станками, а так же находить необходимую заготовку на складе. Все сложности можно разделить на три категории:

  • возникающие при распознавании образов;
  • возникающие на этапе создания математической модели окружающего мира;
  • встающие при разработке самой программы.

В связи с этим до сих пор не существует общего решения поставленной задачи, при том, что обучить человека операциями вида «подай, принеси» проще простого. Особенно актуально создание автоматического манипулятора для работы в мелкосерийном производстве, условия которого часто меняются. В результате сегодня мы имеем ситуацию, когда производство практически полностью автоматизировано, в то время как выполнение вспомогательных и транспортных задач (зачастую крайне монотонных) почти целиком возлагается на человека.

Автоматизация манипуляторов в условиях массового и крупносерийного производства идет по пути внедрения жестко-программируемых роботов, зачастую без возможности последующего перепрограммирования (автооператоры). Подобное оборудование является специализированным, может использоваться исключительно для производства одного типа продукции, при переходе на выпуск иных товаров необходима полная замена технологического оборудования. Столкнувшись с подобной проблемой, разработчики предложили несколько путей ее решения, например, физически разделили механическую и программную системы робота, предусмотрели возможность смены рабочего органа (захвата) манипулятора.

В условиях мелкосерийного и серийного производства, при работе по индивидуальным заказам, используются промышленные роботы 2-ого поколения (адаптивные механизмы), с высоким значением коэффициента сервиса. Управление манипулятором может быть позиционным или контурным. В первом случае центральный процессор отслеживает местоположение рабочего органа в конечных точках его траектории (позициях), во втором случае – всю траекторию движения. Аналогичный контроль может осуществляться за каждым звеном исполнительного механизма, но уже не центральным процессором, а собственным микропроцессором привода звена. Информация о позициях или траектории движения поступает с датчиков движения, положения. Совокупность датчиков, микропроцессоров и центрального компьютера называют системой программного управления.

Часто управляющей системе манипуляторов приходится решать весьма сложные задачи, например, доставить объект манипулирования из одной точки пространства в другую, обходя препятствия. Манипуляторы, которые не в состоянии самостоятельно проложить траекторию движения перемещаемого объекта, минуя все препятствия, но чье программное обеспечение позволяет рассчитать положение каждого звена для такого перемещения, называют полуавтоматическими. Оператор задает траекторию движения объекта вручную. Роботы манипуляторы, уже способные самостоятельно проложить такую траекторию и рассчитать движение каждого звена своей руки, называются автоматически. В случае, если программирование такого аппарата производится методом обучения, то он проходит стадию полуавтоматического механизма.

Автоматизация роботов манипуляторов в ряде случаев предполагает оснащение их системой технического зрения, совокупностью датчиков восприятия визуальной информации. Система технического зрения состоит из двух подсистем: аппаратного (набора указанных датчиков) и программного (средств обработки визуальной информации). Перед системой ставятся следующие задачи: определение центра масс объекта, распознавание его, выделение контуров.

Вся эта информация необходима для захвата, удержания объекта и составления траектории его перемещения (особенно актуально при наличии большого числа препятствий и/или сложной конфигурации объекта манипулирования, его значительных геометрических размерах). Так же захват манипулятора должен оснащаться системой датчиков давления, усилий, информация с которых используется для предотвращения нанесения объекту манипулирования повреждений. В последнее время сюда же устанавливаются и оптические элементы, для контроля взаимного положения поверхностей элементов захвата и объекта манипулирования.

Помимо указанных датчиков автоматизированные и автоматические роботы манипуляторы оснащаются лазерными дальномерами, системами ультразвуковой локации (для создания карты рабочей зоны). Поэтому при автоматизации роботов манипуляторов выделяют внешний и внутренний канал поступления информации. К внутреннему относят команды управленческой программы, а к внешнему – информацию с датчиков. Если система умеет самостоятельно разрабатывать алгоритмы достижения поставленной цели, то говорят о манипуляторе с элементами искусственного интеллекта. Считается, что ИИ – следующий уровень автоматизации, причем, грань между адаптивными манипуляторами и манипуляторами с ИИ четко не определена.