Основы робототехники для начинающих: принципы управления модульными роботами

В настоящее время наблюдается стремительный прогресс в области робототехники, который выражается в увеличении сложности конструкций мобильных роботов. Одним из активно развивающихся направлений является создание модульных роботов, которые представляют собой сложные конструкции, состоящие из простых однотипных элементов - модулей.

Серьезной проблемой при практическом использовании модульных роботов является необходимость создания системы управления для каждой конфигурации робота. Одним из возможных решений этой проблемы является автоматическая генерация системы управления на основе различных моделей обучения.

Универсальная система управления модульными роботами

Целью данной работы является разработка универсальной системы управления модульными гиперизбыточными системами, способной самостоятельно находить способы управления роботами с произвольной конструкцией из некоторого заданного класса. Для решения этой задачи была предложена модель системы управления, использующая логико-вероятностные методы извлечения знаний из данных, адаптированные для задач управления.

В соответствии с предложенным подходом, задача обучения системы управления была сведена к задаче поиска закономерностей в массиве статистических данных о взаимодействии системы с окружающей средой. Для решения проблемы независимости системы управления от выбранной конструкции робота было предложено включить в обучающую информацию данные о конструкции, заданные в виде дерева элементов, описывающего пространственное соединение модулей друг с другом.

Конструкция модульных роботов

Предполагается, что конструкция роботов состоит из однотипных модулей, имеющих одинаковую форму прямоугольного параллелепипеда. У каждого модуля на одной грани расположен стыковочный элемент, содержащий угловые двигатели, а на остальных гранях - разъемы для стыковки (рис. 1). Таким образом, каждый модуль при помощи стыковочного элемента может быть подключен к одному разъему любого другого модуля, а угловые двигатели позволяют вращать подключенные модули относительно точки соединения.

Рис. 1. Пример конструкции модульного робота

Также считается, что все модули имеют одинаковый набор сенсоров и команд действий, позволяющих управлять угловыми двигателями стыковочного элемента. Ограничим класс рассматриваемых конструкций модульных роботов такими, которые могут быть представлены в виде дерева элементов, в котором каждая вершина представляет собой отдельный модуль, а ребра - соединения между модулями.

Использование данной информации в процессе обучения позволяет системе управления самостоятельно настраиваться на управление роботом независимо от его конструкции. Для проверки работоспособности и эффективности предложенной модели были проведены эксперименты по обучению класса роботов с различными конструкциями способам передвижения вперед.

Логико-вероятностные методы управления

Для обнаружения закономерностей, описывающих работу системы, предлагается использовать логико-вероятностные методы извлечения знаний из данных, основанные на идеях семантического вероятностного вывода и адаптированные для задач управления.

Преимущество использования семантического вероятностного вывода и правил вида (1.1) состоит в организации поиска правил таким образом, что сначала алгоритм будет обнаруживать более простые стратегии управления, которые задаются простыми правилами, описывающими одинаковые действия для одиночных групп модулей, а только затем - более сложные, включающие действия других групп модулей.

Принципы работы модульных роботов и их применение в промышленности

При этом усложнение правил за счет добавления новых групп модулей будет происходить ровно до тех пор, пока возрастает эффективность управления, дальнейшее усложнение уже не имеет смысла. Функционирование системы управления происходит следующим образом. В каждый момент времени на вход системы поступает сенсорная информация от всех модулей.

В процессе принятия решения система среди всех правил, применимых к текущей ситуации, выбирает одно правило, имеющее максимальное значение математического ожидания награды. После чего отправляются на выполнение команды действий, указанные в условии этого правила. В начальной стадии работы, когда еще нет правил, действия осуществляются случайным образом.

Эксперименты и результаты

Для оценки эффективности предложенной модели системы управления были проведены эксперименты по обучению виртуальных моделей роботов способам передвижения вперед. Целью экспериментальных исследований являлась проверка универсальности модели, т. е. что система способна самостоятельно, без участия человека, настроиться и научиться управлять любой заданной конструкцией, используя только информацию о взаимодействии системы с окружающей средой и описание конструкции в виде дерева элементов.

Эксперименты проводились в программной среде, моделирующей трехмерное пространство и законы механики реального мира. Результаты экспериментов показали, что система управления для каждой конструкции робота успешно обучается эффективным способам передвижения вперед.

Транспортные роботы (ТР) и техногенные среды

В течение длительного периода научная проблематика в робототехнике охватывала преимущественно задачи манипулирования. Однако последнее десятилетие характеризуется возрастанием интереса к транспортным роботам (ТР) как в России, так и в других странах. При этом явно наметилась тенденция расширения возможностей при большом разнообразии свойств сред, в которых необходимо обеспечить перемещение.

Если раньше основное внимание уделялось задачам перемещения по плоской горизонтальной или слабопересеченной поверхности, то теперь рядом коллективов ученых рассматриваются задачи создания роботов, способных двигаться по вертикальным стенкам, лестницам, внутри труб и т. д. К настоящему времени имеются предпосылки для перехода от отдельных частных задач к обобщениям на основе суммарных представлениях о свойствах искусственных, техногенных сред, в число которых входят такие объекты, как строительные конструкции (фермы, опоры, решетки), мачты, опоры линий электропередач, трубы и трубопроводы и т. д.

Классификация транспортных роботов

Транспортные роботы (ТР) разделяют на напольные и подвесные. Типаж ТР достаточно разнообразен:

• С внешним управлением, при котором все параметры движения (скорость, путь, а также координаты точки остановки и т.п.) задаются сигналами, приходящими в устройство управления ТР извне.
• По степени приспособляемости к внешним условиям ТР разделяют на жестко программируемые и адаптивные.

Широко распространенные монорельсовые конвейерные системы отличаются высокой универсальностью. Они обычно свободно размещаются над оборудованием, занимая минимальные производственные площади. Их недостатком является необходимость применения дополнительных подъемных устройств между уровнями транспортирования и рабочими позициями в цехе, а также необходимость средств установки-снятия и ориентации перемещаемых заготовок и деталей (грузов).

Подвесные ТР тельферного типа позволяют исключить необходимость применения вспомогательных подъемно-опускающих устройств. Они строятся на базе тельферных тележек, перемещающихся по подвесному монорельсу и снабженных специальным подъемным механизмом (вертикально перемещающейся рукой) с захватным устройством.

Колесные ТР находят применение преимущественно на промышленных предприятиях. Шагающие роботы представляют основной интерес для движения по заранее неподготовленной местности с препятствиями. Они обладают более высокой проходимостью на пересеченной местности вплоть до возможности передвигаться прыжками, лазать по поверхности с любым наклоном и т. д.

Технологические и вспомогательные задачи для ТР могут быть разнообразными, эти роботы могут выполнять такие функции, как простая перевозка грузов (без манипулятора), перевозка грузов с собственной разгрузкой (свой манипулятор, который забирает и устанавливает перевозимые объекты), инспекция и внешнее наблюдение (с помощью телекамеры) за состоянием элементов и поверхностей и соединений (сварных, заклепочных и болтовых), обнаружение повреждений поверхностей и швов, течей в соединениях, интроскопия элементов (рентгеновская и ультразвуковая), нанесение покрытий (может быть, нанесение меток, рисунков или специальных знаков) и окраска (сплошная или по участкам), смазка, мойка стекол, очистка поверхностей.

Техногенные среды

Рассматриваются самые разнообразные техногенные среды, представляющие собой конструкции и сооружения различного назначения. Элементы этих сооружений могут представлять собой гладкие или негладкие плоские панели, оболочки (жесткие и легкодеформи-руемые), балки и стержни различного сечения, решетки, фермы (плоские и пространственные), тросы, цепи и любые их сочетание (упорядоченные и неупорядоченные).

Классификация техногенных сред:

1. На верхнем уровне определяется общая структура, топологи конструкции. При этом устанавливается последовательность соединения основных звеньев, взаимная ориентация и характерные размеры.
2. На втором уровне анализируются условия перемещения по типовым протяженным элементам, которые обычно могут рассматриваться как балки или стержни постоянного или переменного сечения.
3. На третьем уровне изучаются условия и устройства сопряжения основных элементов несущих конструкций. Элементы сопряжений применительно к задачам перемещения робота рассматриваются, как препятствия, которые нужно преодолевать.

Инженерные конструкции в первую очередь классифицируются по материалу. Выделяют металлические конструкции, конструкции из дерева и пластмасс, бетонные и железобетонные конструкции.

Металлические конструкции находят самое широкое применение в современной практике строительства. Для сопряжения элементов друг с другом при создании несущих конструктивных форм в металлических конструкциях применяют различные виды соединений: сварные, болтовые, заклепочные и клееметаллические. Соединения протяженных элементов в несущих конструкциях представляют собой основные препятствия для перемещения транспортного робота.

Выводы

Основные выводы по теме транспортных роботов и техногенных сред:

1. Типовые задачи перемещения ТР по производственным помещениям, по различным конструкциям и сооружениям с опорой на разные элементы целесообразно объединить в одну большую группу, введя понятие техногенных сред.
2. Применительно к робототехнике техногенные среды классифицируются по признакам, от которых зависят принципиальные возможности перемещения по этим средам, типовые схемные и конструктивные решения.
3. Движители шасси ТР классифицируются по структурным признакам, наиболее распространенными являются колесные и гусеничные шасси. Однако по проходимости существенными преимуществами обладают шагающие автоматы. Из шагающих автоматов наиболее надежными представляются многоногие роботы, для которых нет проблемы обеспечения устойчивости за счет управления, а любое положение в процессе перемещения является положением устойчивого равновесия.
4. При выборе принципиальных решений для шасси ТР, предназначенных для перемещения по техногенным средам, можно использовать два принципа. Первый принцип заключается в том, что конечности просто опираются на элементы среды, а шасси в целом аналогично многопальцевому схвату. Второй принцип предполагает, что каждая конечность заканчивается своим самостоятельным схватом, который захватывает опорный элемент.
5. При использовании первого принципа достаточно, чтобы каждая конечность имела три переносные степени подвижности (наиболее распространены трехшарнирные конечности), при использовании второго принципа - шесть степеней (три переносные и три ориентирующие).
6. При перемещении по техногенным средам наиболее распространенной является задача движения по призматическим элементам различного сечения: круглого, прямоугольного, уголкового, таврового, двутаврового и т.д. Автором предложены наиболее рациональные схемы захватывания конечностями робота подобных сечений.
7. При использовании первого принципа построения ТР по цилиндрическим элементам необходимо иметь не менее шести конечностей, при шести конечностях число вариантов последовательностей их перестановки крайне ограничено, на всех фазах движения допускается отрыв от опоры только одной конечности, а последовательность фаз переноса определяется однозначно.