Вычислительные устройства в системах управления промышленными роботами

1. Вычислительные устройства в системах управления промышленными роботами

 

Функции, выполняемые вычислительными  устройствами в системах управления промышленными роботами, гибкими  производственными системами, линиями  и участками, классифицируются в  основном следующим образом: ввод и  преобразование информации в устройствах  сопряжения с объектом управления; предварительная обработка информации в микро-ЭВМ; решение функциональных задач и выработка управляющих  воздействий; вывод информации; диагностирование вычислительных средств.

В ПР целью преобразования информации в устройствах сопряжения микро-ЭВМ с объектом управления является представление входной информации, которая может генерироваться различными датчиками, например, виде последовательных или параллельных двоичных кодов, а также в виде напряжений, токов, частоты или других аналоговых сигналов в форме, наиболее удобной для их последующей обработки в микро-ЭВМ.

В настоящее время создано  много разнообразных устройств  управления промышленными роботами, начиная от простейших электромеханических  и кончая очень сложными в функциональном отношении с использованием интегральных схем. Чтобы внести ясность в широкий  спектр устройств управления (УУ), выделим  наиболее важные признаки и приведем классификацию этих устройств:

 

                        

 

Различные устройства управления могут классифицироваться по степени  сложности решаемых задач. Эта классификация  в известной степени связана  с методами обучения и дистанционным  управлением роботами:

 

                             

 

 

Все три приведенные классификации  не только не противоречат друг другу, но в известной степени и дополняют.

 Можно сказать, что  первая классификация отражает  элементно-конструктивную базу, структуру  и внутренние связи в устройствах  управления, вторая — степень  сложности в зависимости от  количества единиц технологического  и вспомогательного оборудования, третья — показывает уровень  интеллектуальности устройств управления. Заметим, что III и IV уровни относятся  к адаптивным роботам и роботам  с искусственным интеллектом.

Существующие в настоящее  время устройства управления промышленными  роботами (кроме цикловых) относятся  к классу систем числового программного управления (ЧПУ).

 В зарубежной и отечественной  литературе системы числового  программного управления принято  делить на следующие типы:

 

 — NC (Numerical control) — числовое программное управление обработкой на станке по программе, заданной в алфавитно-цифровом коде. Эти устройства работают по «жесткой логике», программа вводится, как правило, на перфоленте или магнитной ленте;

 

 — HNC (Hand NC) — разновидность устройств ЧПУ с ручным заданием программы с пульта управления (на клавишах, переключателях и т. д.). В последнее время эти системы получили дальнейшее распространение и теперь выпускаются следующие их типы: TNC (Total NC) и VNC (Voice NC). Устройства типа TNC имеют в своем составе внешнюю память на гибких дисках (для хранения управляющих программ) и дисплеи для организации общения оператора с устройством ЧПУ. В устройствах ЧПУ типа VNC управляющая программа вводится непосредственно с голоса. Принятая ин­формация затем отображается на дисплее, что обеспечивает визуальный контроль правильности ввода;

— SNC (Speicher NC) и (или) MNC (Memory NC) — разновидность устройств ЧПУ, имеющих память для хранения всей управляющей программы;

 

 — CNC (Computer NC) — автономное устройство ЧПУ, содержащее ЭВМ или процессор;

 

 —DNC (Direct NC) — устройство для управления группой оборудования от ЭВМ, осуществляющее хранение программ и распределение их по запросам от локальных устройств управления оборудованием (на оборудовании могут быть установлены устройства типа NC, SNC, CNC). Устройства ЧПУ типа NC и HNC имеют постоянную структуру, а устройства типа SNC и CNC — переменную.

Эта классификация была создана  для устройств числового программного управления металлорежущими станками, сейчас она применяется и для  устройств управления промышленными  роботами.

В устройствах ПР применяются электромеханические, электронные, пневматические и гидравлические элементы от простейших и до самых сложных (например, интегральные микросхемы различной степени интеграции).

В большинстве эксплуатируемых  в настоящее время управляющих  устройств ПР функции управления реализуются аппаратурным путем, т. е. алгоритм функционирования устройства является жестким.

Новым этапом в проектировании управляющих устройств ПР с повышенным набором функциональных возможностей является применение больших интегральных схем микропроцессоров и различного типа запоминающих устройств. В этом случае необходимые функции управляющего устройства обеспечиваются программным путем. Примером микрокомпьютерного набора является набор, выпускаемый фирмой «ИНТЕЛ» (США). Он содержит восьмиразрядный параллельный центральный процессор; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) емкостью восьмиразрядных слов; ПЗУ емкостью восьмиразрядных слов; интерфейс телетайпа.

Модули центрального процессора и памяти построены на основе МОП-транзисторов. Особенностью микропроцессора в данном случае является то, что в качестве памяти может быть использована любая комбинация из нескольких типов ОЗУ, ПЗУ и сдвиговых регистров, причем тип памяти определяется характером конкретного применения. ОЗУ применяется в тех случаях, когда необходима частая смена программ; ПЗУ служит в качестве более долговременного хранилища программ; сдвиговые регистры используются для последовательной обработки информации.

Применение больших интегральных схем, таких, как микропроцессоры, ОЗУ, ПЗУ и другие, значительно расширяет  функциональные возможности управляющих  устройств ПР. Кроме того, число  элементов в электронных схемах устройств значительно уменьшается, и снижается стоимость при  повышении качества управления. Уменьшение числа элементов приводит к более  легкому обслуживанию и повышению  надежности, а также к значительному  уменьшению размеров устройства.

Основными задачами, решаемыми  микро-ЭВМ в системах управления ПР, являются задачи регулирования, логического управления, преобразования координат и прогнозирования. Актуальна задача преобразования координат и обработки измерительной информации от датчиков установленных в различных устройствах ПР. Подобная задача возникает, например, в случае, когда программа управления движением захватного устройства робота написана относительно неподвижных декартовых координат, а манипулятор имеет кинематическую схему, обеспечивающую перемещение относительно угловой системы координат. Поэтому необходимо осуществить, с помощью управляющей микро-ЭВМ, преобразование программной траектории из декартового пространства в пространство угловых координат степеней подвижности манипулятора.

 

 

2. Задачи адаптивного управления

 

Промышленные роботы с  адаптивным управлением (это ПР второго поколения) имеют измерительные устройства для восприятия внешней среды. Управляющая программа в этом случае не должна содержать всю необходимую информацию. Неопределенность текущей программы снимается путем опроса датчиков системы очувствления и соответствующей обработки результатов измерения. На основе анализа параметров внешней среды и функционирования самого промышленного робота формируются необходимые команды исполнительному устройству. Такие роботы могут самонаводиться на произвольно расположенные предметы, обходить нерегулярно появляющиеся препятствия, захватывать неориентированные заготовки из стандартной тары и ориентировать их, контролировать наличие объекта в захватном устройстве робота и усилие зажима заготовки, регулировать скорость перемещения, например, при снятии заусенцев и шлифовании, следовать по неточно определенной в программе траектории и др. Адаптивное управление снижает требования к периферийному оборудованию, значительно упрощает программирование, позволяет использовать заготовки с более широкими допусками и т. д. Адаптивные роботы позволяют автоматизировать достаточно сложные технологические операции, такие, как сварка, окраска, сборка.

Общая задача адаптивного  управления ставится как задача управляемой  самоорганизации в расширенном  фазовом пространстве открытой системы  «объект-внешняя среда-регулятор»:  изменение параметров и структуры системы, а возможно, и управляющих воздействий на основе текущей информации с целью достижения определенного, обычно оптимального, состояния системы при начальной неопределенности в изменяющихся условиях работы.

Адаптивная система должна сохранять работоспособность при  непредвиденных изменениях свойств  управляемого объекта, целей управления или окружающей среды путем смены  алгоритма своего функционирования, программы поведения или поиска оптимальных состояний.

Задача адаптации заключается  в синтезе алгоритмов адаптации  с требуемыми свойствами. Решение  этой задачи тесно связано с контролем  качества управления.

 

 

3. Языки программирования, используемые в промышленных роботах

 

Самое лучшее схемное и  конструктивное построение информационно - управляющих систем останется лишь сложной и дорогостоящей оболочкой, если не вдохнуть в нее внутреннее содержание - алгоритмическое и программное  наполнение, способное обеспечить решение  необходимого класса задач управления, в том числе и интеллектуальных. Кусок кремния, обработанный на самых  современных предприятиях электронной  промышленности и ставший микропроцессором, сам по себе является субстанцией  довольно инертной, а его чудесное превращение в "мозг" робота происходит благодаря программному обеспечению, которое и есть движущая сила управления. Органической составной частью алгоритмического и программного обеспечения являются языки программирования, которые служат не только и не столько способом представления информации и общения робота с оператором, сколько средством логического анализа интеллектуальных задач. Обычные человеческие языки для этой цели подходят плохо, так как не обеспечивают строгости формализации задач, точности и надежности их логического анализа. Кроме того, способность распознавания роботом отдельных слов для описания задачи довольно ограничена и требует большого объема оперативной памяти для хранения речевых данных, поэтому в качестве языка робота должен использоваться специально созданный формализованный язык. При этом язык программирования должен быть адекватным тем задачам управления, которые должны решаться с его помощью, а значит, в рамках иерархического построения ИУС язык может быть различных уровней.

В общем случае можно выделить четыре уровня языка программирования роботов, соответственно решаемым задачам  управления - исполнительных приводов, манипулятора, операций и задания.

Используя язык низшего исполнительного уровня, оператор может задавать движение отдельных степеней подвижности манипулятора в виде определенных значений линейных или угловых перемещений звеньев МС.

Язык уровня манипулятора позволяет управлять совокупным движением МС в рабочем пространстве относительно произвольной координатной системы для реализации необходимого перемещения и ориентации рабочего органа, не задумываясь о состоянии  отдельных степеней подвижности  и координации их перемещений.

Язык уровня операций позволяет  формировать рабочую программу  путем указания лишь последовательности операций, которые робот должен осуществить  с объектом манипулирования.

На языке высшего уровня заданий программа действий робота составляется в терминах "что  сделать" (а не "как сделать"), т.е в общем виде без детализации.

Степень необходимой конкретизации  заданий роботу, подготавливаемых оператором, определяется уровнем входного языка  системы управления: чем выше уровень  этого языка, тем в более обобщенном виде может быть сформулировано задание. Идеальным было бы выдать роботу общую  задачу, например, "Произвести сборку редуктора" и ожидать исполнения. Однако пока еще системы управления и языки такого уровня не вышли  из стен экспериментальных лабораторий.

Языки программирования низкого уровня. Язык Ассемблера, занимая промежуточное положение между машинными языками и языками высокого уровня, объединяет в себе  ряд достоинств. В частности, язык Ассемблера позволяет создать наиболее эффективные программы, требующие минимального времени на их исполнение, чего не удается достичь, используя другие языки. Однако, программирование на Ассемблере представляет собой трудоемкую задачу.

     Поэтому, если программа создаваемая для ПР будет эксплуатироваться интенсивно и не будет требовать частых изменений, то ее целесообразно писать на Ассемблере. В противном случае желательно использовать языки высокого уровня.

Языки программирования высокого уровня. Примерами наиболее популярных языков высокого уровня могут служить Фортран, Бейсик, Паскаль, Си и др.

      Все языки высокого уровня разделяются на языки компилирующего и интерпретирующего типа. Первое означает, что для трансляции программы, написанной на языке этого типа в последовательность машинных команд, необходимую микропроцессору, требуется специальная программа, компилятор, которая определяет каждый оператор языка в виде машинных кодов. После такого предварительного перевода рабочая программа на машинном языке загружается в память микро-ЭВМ и исполняется. Примером языка компилирующего типа может служить Паскаль.