Введение к работе
Актуальность темы. Современные манипуляционные роботы нашли широкое применение как в промышленности, так и в других сферах хозяйственной деятельности человека. При этом круг задач, решаемых с помощью роботов, существенно расширился в последнее время. Помимо традиционных применений манипуляторов в таких производствах, как сборка, сварка, окраска, автоматизация вспомогательных операций в механообработке и т.д., особую роль сегодня приобретает использование роботов в тех задачах, где применение человеческого труда существенно затруднено или вообще невозможно. Постановка этих задач и их природа предполагает минимальное участие человека в процессе управления роботом, которое в идеале должно сводиться к выдаче задания роботу в наиболее общей, языковой форме.
Одной из характерных особенностей современных задач применения роботов является необходимость управления ими в динамической среде, которая характеризуется неопределенностью параметров, случайными изменениями внешних воздействий, неполнозаданностью целей и их возможной подвижностью, наличием подвижных препятствий, в том числе и других роботов, в рабочей зоне. При этом положение в пространстве как препятствий, так и целей может изменяться случайным образом и характер их движения заранее не известен. Один из наиболее сложных вариантов динамической среды — это работа группы роботов в общей рабочей зоне по реализации общего задания. Использование группы роботов вместо одного является перспективным направлением развития робототехнических систем, поскольку позволяет получить ряд существенных преимуществ, связанных с повышением производительности и отказоустойчивости системы, расширением ее функциональных возможностей и гибкости по отношению к решению широкого круга задач. Возможность реализации этих преимуществ существенным образом зависит от наличия развитых средств
моделирования, математического и программного обеспечения систем группового управления.
Задачи управления роботами в динамической среде, связанные с планированием действий и координацией движений манипулятора, носят ярко выраженный интеллектуальный характер. Это означает, что их решение предполагает приобретение, запоминание и целенаправленное преобразование знаний в процессе обучения на опыте и адаптации к разнообразным обстоятельствам. Использование традиционных методов для решения таких задач требует построения сложных формализованных моделей, формирование которых представляет собой достаточно трудоемкую, а в ряде случаев и нетривиальную задачу. С другой стороны, практическое использование таких моделей обычно связано со значительными вычислительными затратами, что особенно характерно для систем планирования перемещений и управления движением манипуляторов в динамической среде.
Одним из перспективных подходов эффективного решения задачи планирования и управления движением манипулятора в реальном времени в динамической среде является использование интеллектуальных технологий управления, в частности аппарата нечеткой логики, который позволяет формализовать многочисленные неопределенности, свойственные современным условиям функционирования роботов и интеллектуальному характеру решаемых ими задач. Практическое использование методов нечеткой логики в задачах управления роботами остается еще достаточно ограниченным, носит частный, локальный характер, а принципы и методики формирования прикладных логико-лингвистических моделей развиты слабо.
Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмов и программного обеспечения систем управления роботом, обеспечивающих его эффективное и безопасное функционирование в среде с динамическими препятствиями, подвижными целями и в группе роботов в общей рабочей зоне.
Залачи исследования. В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи:
разработка принципов построения и структуры системы управления и выделение ее функциональных модулей, специфических для задач управления в динамической среде;
разработка моделей, алгоритмов и программного обеспечения для управления роботами при работе в общей рабочей зоне;
разработка логико-лингвистической модели и программного обеспечения системы управления целенаправленным движением манипулятора на основе нечеткого логического вывода;
разработка модели и программного обеспечения системы управления движением манипулятора в среде с динамическим препятствием на основе нечеткого логического вывода;
исследование зависимости параметров системы управления, основанной на нечетком логическом выводе, от характеристик логико-лингвистической модели, разработка принципов и методик построения логико-лингвистических моделей;
настройка в соответствии с разработанными методиками моделей систем управления, основанных на нечетком логическом выводе, и их экспериментальное исследование;
разработка программного обеспечения для моделирования и управления роботами в динамической среде и проведение экспериментальных исследований на промышленных и учебных роботах.
Методы исследования. При разработке системы іруппового управления использованы методы математического моделирования, аналитической геометрии, кинематического анализа, теории графов. Разработка и исследование моделей систем управления роботом в динамической среде основаны на математическом аппарате теории нечетких множеств и методах представления и обработки знаний на базе продукционного логического вывода. Исследование параметров
логико-лингвистических моделей проведено с привлечением численных методов. Программное обеспечение разработано на основе объектно-ориентированного подхода с использованием идей и методов, применяемых при построении современных прикладных программ реального времени.
Научная новизна работы состоит в следующем:
обоснован состав функциональных задач системы управления, характерных для работы манипулятора в динамической среде;
разработан новый эффективный алгоритм группового управления роботами с произвольной кинематической схемой, инвариантный к количеству роботов, с низкими требованиями к вычислительным ресурсам и высокой надежностью;
предложен новый подход к построению систем планирования действий и управления движением роботов в динамической среде, основанный на нечетком логическом выводе;
предложены принципы формирования логико-лингвистических моделей для указанных задач;
разработана система правил нечеткого логического вывода для решения задач планирования действий и управления движением манипулятора в динамической среде;
разработаны методики исследования зависимости характеристик системы управления от параметров логико-лингвистической модели;
сформулированы принципы настройки логико-лингвистической модели, обеспечивающие эффективное функционирование интеллектуальной системы управления.
Практическая ценность. Разработанное программное обеспечение системы группового управления роботами позволяет осуществлять управление в реальном времени промышленными роботами произвольных кинематических схем, количество которых ограничено в основном аппаратными ресурсами используемой ПЭВМ. Предусмотрена возможность
обработки нештатных ситуаций, таких как потеря детали или отказ оборудования. Разработанное программное обеспечение используется в составе сборочных центров на базе двух промышленных роботов PM-Q1 и учебных роботов Mentor. Экспериментальные исследования продемонстрировали полную работоспособность предложенного подхода.
Программное обеспечение системы управления целенаправленным движением манипулятора позволяет сформировать циклограмму движения робота РМ-01 для использования в программе «Универсальная среда программирования РМ-01 (УСПР)», разработанной на кафедре «Проблемы управления» МИРЭА(ТУ).
Разработанные логико-лингвистические модели и основанные на них алгоритмы управления движением манипуляторов принципиально ориентированы на прикладное применение нечеткого логического вывода. Детально отработана практическая реализация механизмов нечеткого логического вывода в системах реального времени, а сформулированные методики настройки логико-лингвистических моделей предоставляют разработчику прикладной системы управления эффективный аппарат формирования и практической реализации модели.
Реализация результатов работы. Разработанные модели и программное обеспечение использованы для создания интеллектуальной системы группового управления промышленными роботами РМ-01 в составе экспериментального учебно-исследовательского комплекса «Учебная ГПС» и в системе управления учебными сборочными роботами Mentor в составе лаборатории «Учебная ГПС на базе мини-роботов и локальной сети персональных ЭВМ», разработанных по приказам Минобразования РФ. Принципы построения систем управления роботами в динамической среде, модели и алгоритмы систем группового управления роботами произвольных кинематических схем использованы в НИР «КЛИН-МИРЭЛ-П» «Комплексный прогноз развития военной робототехники до 2005г. по результатам компьютерного интеллектуального моделирования и экспертных оценок», выполняемой по заданию Секции
прикладных проблем при Президиуме РАН. Теоретические и практические
результаты, полученные при разработке моделей систем управления
роботами в динамической среде, были использованы в учебном процессе
кафедры «Проблемы управления» МИРЭА(ТУ) в курсах «Системы
управления роботов и манипуляторов» и «Автоматизация
программирования роботов» для специализации 21.03.09
«Робототехнические интеллектуальные системы».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах и конференциях МИРЭА(ТУ).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 5 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 175 страниц состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 163 страницах и иллюстрирован 76 рисунками.
