Контрольная работа по "Программированию". 16

1.     Робот – система систем. Поколения. Основные технические поколения.   

Робот — автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое  частично или полностью заменяет человека при выполнении работ в  опасных для жизни условиях, при относительной недоступности объекта или для другого использования.

Робот может управляться оператором, либо работать по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве, в строительстве, при рутинной работе, при работе с тяжёлыми грузами, вредными материалами, а также в других тяжёлых или небезопасных для человека условиях.

Робот состоит из следующих систем:

• информационно-измерительной (сенсорной) системы;
• управляющей системы;
• системы связи с человеком или другими роботами;
• исполнительной (моторной) системы.

Роботы первого поколения —  это роботы с программным управлением (программные роботы). Эти роботы в основном предназначены для  выполнения определенной жестко запрограммированной последовательности операций, диктуемой тем или иным технологическим процессом. Управление роботами первого поколения осуществляется по заранее заданной программе, а значит, и при строго определенных и неизменных условиях функционирования. Простота изменения программы, т. е. возможность переобучения роботов первого поколения новым операциям, сделала эти роботы достаточно универсальными и гибко перестраиваемыми (правда, с помощью человека-оператора) на различные классы задач в пределах функциональных возможностей данного робота.

Первые программные роботы были созданы и освоены промышленностью  в шестидесятых годах. Техническое осуществление таких роботов основывается на различных принципах и элементах. В настоящее время существует около 300 типов программных роботов.

Область возможных (и экономически целесообразных) применений роботов первого поколения достаточно широка. Эти роботы успешно применяются для обслуживания станков (в частности, станков с цифровым программным управлением), печей, прессов, технологических линий, сварочных аппаратов, литейных машин и т. п. Они осуществляют установку, транспортировку, упаковку изделий, простейшие сборочные операции, сварку, ковку, литье под давлением, термическую и механическую обработки и т. п. Особенно широко программные роботы применяются в машиностроении, металлургии и атомной промышленности.

Функциональные возможности роботов первого поколения существенно ограничиваются малым ассортиментом информационно-измерительных датчиков и несовершенством управляющей системы, служащей лишь для осуществления заранее заложенной в памяти жесткой программы. Способность к восприятию внешнего мира и к формированию его модели у роботов первого поколения практически отсутствует. Поэтому эти роботы принципиально не могут функционировать совершенно самостоятельно (автономно), без вмешательства человека.

Роботы второго поколения —  отличаются от программных роботов, во-первых, существенно большим ассортиментом сенсорных датчиков, как внешних (телевизионные, оптические, тактильные, локационные датчики и т. п.), так и внутренних (датчики положений «руки» или «ноги» относительно «тела» робота, датчики усилий и моментов и т. п.).  Во-вторых, более сложной системой управления. Последняя уже не ограничивается только устройством для запоминания жесткой программы движения, как у роботов первого поколения, а требует для своей реализации управляющей ЭВМ.

Технические «органы чувств» роботов  второго поколения служат источниками  сигналов обратных связей для управляющей системы. Эта система и формирует закон управления исполнительными механизмами робота (манипулятором, органами перемещения и т. п.) с учетом фактической обстановки. Такое управление реализуется путем формирования связей типа «класс ситуаций — действие», которые либо заранее закладываются в память управляющей системы, либо формируются в процессе обучения робота человеком. При этом под «ситуацией» понимается набор значений сигналов на выходе сенсорной системы, а под «классом ситуаций» — множество «ситуаций», обладающее тем свойством, что все «ситуации» из одного класса требуют одного и того же «действия», адекватного этому «классу ситуаций». «Действием» является программа движения, которая, как и в роботах первого поколения, заранее задается (заносится в память управляющей системы).

В случае существенного изменения «ситуации», соответствующего переходу из одного «класса ситуаций» в другой, меняется и «действие», т. е. программа движения. Описанная схема управления напоминает схему выработки условных рефлексов у человека и животных. Поэтому поведение очувствленного робота мы можем условно назвать рефлекторным. Именно наличие связей «класс ситуаций — действие» позволяют очувствленному роботу приспосабливать свое поведение к реально складывающейся и даже меняющейся  обстановке.

Неотъемлемой частью роботов второго поколения является их алгоритмическое и программное обеспечение, т. е. комплекс алгоритмов, и программ, предназначенных для обработки сенсорной информации и выработки управляющих воздействий. Функциональные возможности очувстеленных роботов, определяемые их алгоритмическим и программным обеспечением, могут быть существенно расширены путем наращивания программ «класс ситуаций — действие».

Роботы второго поколения, оснащенные большим ассортиментом сенсорных  датчиков и управляющей ЦВМ, значительно  превосходят по своим функциональным возможностям программных роботов. Благодаря способности воспринимать изменения во внешней среде, анализировать сенсорную информацию и приспосабливаться к существующим условиям функционирования, очувствленные роботы могут работать с неориентированными деталями произвольной формы, осуществлять сборочные и монтажные операции, собирать информацию о неизвестной и, возможно, меняющейся внешней среде и т. п.

Третье поколение роботов — это так называемые интеллектуальные, или разумные, роботы. Они принципиально отличаются от роботов второго поколения сложностью и совершенством управляющей системы, включающей в себя элементы искусственного интеллекта. Необходимо подчеркнуть, что интеллектуальные роботы предназначены не только и не столько для имитации физических действий человека, сколько для автоматизации его интеллектуальной деятельности, т. е. для решения интеллектуальных задач.

Характерной особенностью интеллектуальных роботов является их способность  к обучению и адаптации в процессе решения задач. Что же касается самого умения решать интеллектуальные задачи, то оно является производным в том смысле, что целиком зависит от того, как протекал процесс обучения и адаптации робота.

Существуют различные возможности  придать очувствленному роботу те или иные элементы искусственного интеллекта. Структура и совершенство управляющих систем интеллектуальных роботов определяются, с одной стороны, техническими возможностями реализации нужных (с точки зрения решаемой задачи) элементов интеллекта, а с другой — содержанием и сложностью задач, которые перед роботом ставит человек.

В общем случае интеллектуальный робот  способен понимать язык и вести диалог с человеком, формировать в себе модель внешней среды, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия, планировать поведение, строить программные движения исполнительной системы и осуществлять их надежную отработку в условиях неполной информированности о характеристиках среды, робота и условий его функционирования.

Классификация роботов 

В зависимости от степени участия  человека в процессе управления роботы подразделяются на два класса биотехнические и автономные, или автоматические, роботы.

К биотехническим роботам относятся  дистанционно-управляемые копирующие роботы, экзоскелетоны, роботы, управляемые человеком с пульта управления, и полуавтоматические роботы. Охарактеризуем кратко принципы управления роботами.

Копирующие роботы имеют задающий орган (обычно манипулятор), полностью  идентичный исполнительному (с определенным масштабом по геометрическим размерам и усилиям), средства передачи сигналов прямой и обратной связи, а также средства отображения для человека-оператора среды обитания робота. Управляющая система строится так, что желаемое движение задающего органа, задаваемое человеком-оператором, полностью копируется с точностью до масштабного коэффициента исполнительным органом. Для этой цели по каждой обобщенной координате обычно применяются следящие системы двустороннего действия, использующие обратную связь по усилиям или моментам, возникающим при роботе исполнительного органа.

Экзоскелетоны — это антропоморфные конструкции, которые обычно «одеваются»  на руки, ноги или корпус человека и  служат для воспроизведения (копирования) их движений с некоторым масштабным коэффициентом по усилиям. Экзоскелетоны зачастую имеют несколько десятков степеней свободы. Они, как и копирующие роботы, управляются человеком-оператором с помощью следящих систем двустороннего действия.

Роботы с биотехническим управлением — это роботы, управляемые человеком с пульта управления. На пульте управления таких роботов имеется система кнопок, клавиш или рукояток, связанных с исполнительными механизмами каналов управления по различным обобщенным координатам. Кроме того, на пульте управления имеются средства отображения информации о среде функционирования робота, поступающей к человеку обычно по радиоканалу связи. Желаемое движение роботу задается человеком с пульта управления через систему исполнительных приводов.

Полуавтоматические роботы — это такие роботы, в которых ручное управление сочетается с автоматическим. Они находят широкое применение в тех случаях, когда невозможно заранее жестко запрограммировать все операции, которые робот должен выполнять, и в то же время экономически нецелесообразно или технически невозможно этот робот оснастить всеми требуемыми искусственными органами чувств и элементами искусственного интеллекта. К полуавтоматическим относятся роботы с супервизорным управлением, когда человек-оператор вмешивается в процесс автономного функционирования робота не посредством перехода на ручное управление, а путем сообщения ему дополнительной информации (например, с помощью целеуказания, указания требуемой последовательности действий и т. п.).

Другой важный класс роботов — это роботы с автономным, или автоматическим, управлением. Такие роботы после их создания и наладки в принципе могут функционировать и без участия человека. Типичным примером автономных роботов являются роботы с элементами искусственного интеллекта.

В зависимости от назначения и решаемого  класса задач можно выделить следующие основные разновидности роботов: производственные роботы и исследовательские роботы. 

Производственные роботы — это  роботы, предназначенные для выполнения тяжелой, монотонной, вредной и опасной  для здоровья людей физической работы. Для этой группы роботов характерно наличие автоматических исполнительных устройств, таких, как манипуляторы, имитирующие движения рук человека, самоходные тележки с различными типами шасси и т. п. Конкретизация областей применения производственных роботов приводит нас к следующим разновидностям: промышленные, сельскохозяйственные, транспортные, строительные и бытовые роботы.

Промышленные роботы предназначены  в основном для автоматизации  всех видов ручных и транспортных операций в различных отраслях промышленности. Наибольшее применение роботы нашли в машиностроении и приборостроении, в горнодобывающей, нефтехимической, металлургической и атомной промышленности.

Поскольку современное строительство  приближается по степени и стилю  механизации к промышленности, оно представляет собой важную и благодатную область для применения роботов. Строительные роботы позволят автоматизировать огромное количество ручных операций как вспомогательных, так и основных, органически присущих строительному делу. Актуальность роботизации строительства очевидна.

Сельскохозяйственные роботы предназначены  для автоматизации трудоемких и  монотонных процессов в сельском хозяйстве. В настоящее время начинается интенсивная разработка таких роботов, знаменующих начало роботизации сельскохозяйственного производства.

Транспортные роботы предназначены  для автоматизации управления различными транспортными средствами. Примерами  транспортных роботов являются самоходные тележки, шагающие аппараты, автопилоты и авторулевые. Много говорят  сейчас и о бытовых роботах. Такие роботы служат для автоматизации операций, связанных с бытом человека и с богатой разнообразием сферой его обслуживания. Далеко не все операции в этой сфере можно поручить обычным автоматам. Здесь нужны более гибкие и универсальные системы, — бытовые роботы. Эти роботы должны мыть посуду, стирать, натирать полы, готовить пищу и т. п.

Второй класс роботов — это  исследовательские роботы. Они служат для поиска, сбора, переработки и  передачи информации об исследуемых  объектах. К числу таких объектов относятся космическое пространство, поверхности планет, подводное пространство, подземные полости. Арктика и Антарктика, пустыни, зараженная местность и другие труднодоступные для человека области.

Современная робототехника представляет собой гармоничное сочетание роботов различных типов и поколений, которые возникли в связи с потребностями научно-технического прогресса и взяты им на вооружение.

2. Архитектура программного обеспечения системы управления ГАП.

Программное обеспечение ПО ГАП включает в себя общее, общее специальное и специальное ПО. Структура ПО ГАП приведена на рис 2.1.

Общее ПО – это стандартное математическое обеспечение, поставляемое вместе с  вычислительным оборудованием. К нему относятся операционная система, система управления базами данных и программное обеспечение локальной сети связи.

Общее специальное ПО — это программное обеспечение уровней мини-ЭВМ и микроЭВМ, не зависящее от специфики конкретной производственной задачи.

Рисунок 2.1  Структура программного обеспечения ГАП

Оно осуществляет управление ячейками ГАП и контроль за их работой. Общее специальное ПО строится по иерархическому принципу и имеет по крайней мере уровни мини-ЭВМ и микроЭВМ. Каждая мини-ЭВМ в свою очередь может управлять несколькими микроЭВМ, а каждая микроЭВМ — ячейкой ГАП.

Рисунок 2.2     Пример использования баз данных в ГАП

Специальное ПО представляет собой прикладные программы, зависящие от специфики конкретной производственной задачи и  обычно реализуемые в виде простых модулей, каждый из которых выполняет одну функцию. Модульное построение ПО позволяет упростить процесс внесения изменений,. который иногда необходим, например, в связи с раширением функций ГАП.

Информационное обеспечение включает в себя текстовую документацию, записанную на внешних носителях, и информацию, входящую в базы данных, и необходимую для функционирования гибких автоматизированных производств.

Базы данных предназначены для хранения некоторой совокупности данных, ценность которых не зависит от программ, использующих их.

Системы управления базами данных (СУ БД) обеспечивают процесс накопления данных в ЭВМ и включают в себя:

• языки описания данных, манипулирования ими и программирования;
• аппарат, позволяющий приспосабливать формы данных к различным использующим их программам;
• контроль разрешения доступа к данным.

На рис. 2.2 приведен пример использования баз данных в ГАП.

Рассмотрим последовательно составляющие общего ПО.

Операционные системы — это сложные программы, используемые в вычислительной технике для организации взаимодействия отдельных частей вычислительного оборудования ЭВМ, различных программ пользователей друг с другом и с общими данными, а также для обеспечения сервисных возможностей, облегчающих труд программиста и обслуживающего персонала ЭВМ.

Так как технологическое оборудование ГАП можно рассматривать  в качестве специфического внешнего  оборудования ЭВМ, программное обеспечение системы управления ГАП является расширением ОС ЭВМ.

Для обеспечения управления разделяемыми ресурсами системы используется операционная система реального времени (ОС РВ), позволяющая реализовать мультипрограммный и мультизадачный режимы выполнения задач реального времени. В ОС РВ применяются диски для хранения системных файлов. Благодаря этому возможно в качестве основного носителя данных создание общей файловой системы, временная выгрузка задач из оперативной памяти и быстрая их инициация.

Параллельное осуществление множества задач в режиме реального времени обеспечивается за счет приоритетной диспетчеризации, временной выгрузки задач на диск и оперативного вмешательства в процесс прохождения задач пользователей со своих терминалов. Загрузка задач в память и временная выгрузка их на диск производятся за одно обращение к нему, что увеличивает быстродействие системы.

Для ОС РВ основными являются понятия задачи, раздела, приоритета и признака выгружаемости.

Задача — это  вычислительный процесс, потребности которого обслуживает ОС. Задача состоит из одной или нескольких про грамм, скомпонованных в единый загрузочный модуль. Основными атрибутами задачи являются раздел, приоритет и признак выгружаемости.

Раздел — непрерывная область памяти, в которой размещается задача.

Приоритет — число, отражающее конкурентоспособность задачи в борьбе за ресурсы системы.

Признак выгружаемости — это параметр, определяющий возможность временной выгрузки задачи на диск, тогда, когда задаче, имеющей более высокий приоритет, требуется раздел, занятый данной задачей.

Для организации ввода - вывода в ОС РВ предназначены драйверы внешних устройств. Функциями драйвера являются прием и обработка прерываний устройства ввода — вывода, а также инициация и отмена операций ввода — вывода. Оборудование, входящее в ячейку ГАП, может быть связано с ЭВМ через специально разработанные драйверы.

В ОС РВ для разделов, управляемых системой, обеспечивается динамическое распределение памяти. Система хранит список свободных областей такого раздела и список задач, требующих загрузки в этот раздел. Задачи, претендующие на загрузку в раздел, выбираются в соответствии с их приоритетами, причем имеется возможность автоматического уплотнения памяти, производимого с помощью перезамещения задач в разделе для создания максимальных непрерывных свободных областей раздела.

Операционная система реального времени предоставляет пользователю средства для создания системы, рассчитанной на конкретную конфигурацию вычислительного комплекса и на требуемые рабочие характеристики системы.

Общее специальное программное обеспечение ГАП

Одним из наиболее важных вопросов при разработке ПО является вопрос разделения задач управления между уровнями, от правильного решения которого зависят возможности ПО. Обеспечение максимальной автономии данного уровня позволяет использовать его независимо от высшего уровня, что является особенно удобным при отладке ПО.

Задачи, решаемые на уровне микроЭВМ, можно разделить на четыре основные группы задач; управления оборудованием, информационные, обеспечения надежности функционирования ячейки ГАП и обеспечения безопасности.

К задачам управления оборудованием относятся:

• анализ и перевод командных операторов технологического языка управления ячейкой в последовательность микрокоманд управления конкретным оборудованием;
• отработка прерываний по нормальному или аварийному выполнению микрокоманд или операций;
• передача информации о нормальном или аварийном завершении операции на уровень мини-ЭВМ;
• контроль количества металлоотходов для перехода от автоматической обрабатывающей ячейки к автоматической транспортной ячейке.

Информационные задачи осуществляют вызов и отображение информации на пульте оператора ГАП.

Задачи обеспечения надежности функционирования ячейки ГАП:

• контроль выполнения оборудованием микрокоманд с помощью встроенной системы активного контроля;
• компенсация случайных сбоев оборудования;
• анализ   работоспособности  оборудования  (учет  случайных сбоев);
• контроль изменения размеров инструмента и компенсация систематических погрешностей оборудования (автоматическая под-наладка оборудования);
• тестирование оборудования.

При обнаружении некомпенсируемых неисправностей оборудования информация об этом передается на уровень мини-ЭВМ.

Задача обеспечения безопасности заключается в осуществлении аварийного останова оборудования при нарушении границ рабочей зоны и включения звуковой и световой сигнализации.

Задачи, решаемые на уровне мини-ЭВМ, можно разделить на задачи: календарного планирования, учета и документирования, управления ГАП, обеспечения надежности функционирования ГАП, информационные.

Задача календарного планирования, как правило, должна решаться системой АСУП (на большой ЭВМ). В ряде случаев она решается на уровне мини-ЭВМ, на которой может быть реализована АСУ цеха. Данная задача включает в себя:

• планирование квартальных, месячных, недельных и суточных заданий для ГАП;
• расчет и выдачу заявок на материалы, заготовки, инструмент, оснастку, тару в соответствии с квартальными, месячными, недельными или суточными планами работ ГАП;
• суточное календарное планирование работы элементов ГАП, в том числе с учетом аварийного состояния элементов или ячеек.

3. Автоматическая транспортно — накопительная система (АTHС). Оборудования. Система управления АТНС

При разработке ГПС в первую очередь  ставится задача автоматизации трудоемких операций по загрузке-разгрузке механообрабатывающего, сборочного и другого оборудования, смене инструмента, транспортировке объектов. Работа автоматического транспортера, накопление грузов и распределение их потоков определяются качественными характеристиками производства, его функциональной направленностью, последовательностью, пространственней ориентацией и др. Применяются автоматические транспортно-накопительные системы (АТНС) межцехового, внутрицехового (межоперационные) и внутри операционного уровней.

Автоматизированные склады, операционные накопители играют роль буферных устройств, сглаживающих нарушение работы технологического оборудования. Характер транспортных связей, обслуживающих горизонтальные, вертикальные и смешанные грузопотоки, оказывает решающее воздействие на совершенствование технологической компоновки оборудования, сокращение производственных площадей, снижение капитальных затрат на строительно-монтажные работы и определяет уровень гибкости производственной системы в целом.

Транспортные системы выполняются  в виде непрерывных цепей, соединяющих  крайние обслуживаемые позиции  ГПС, а также набираются из отдельных  модулей различной протяженности, например, представляющие собой вибрационные транспортные лотки возвратно-поступательного действия с промежуточными позициями (столами) распределения или накопления объектов.

С учетом значимости АТНС в производственном процессе к ней предъявляются  следующие основные требования:

• Возможность работы компонентов системы в автоматическом режиме;
• Обеспечение гибкости компонентов;
• Универсальность транспортных средств и складского оборудования;
• Возможность использования унифицированной для данного производства транспортно-складской тары;
• Стыкуемость по техническим и технологическим параметрам с производственным оборудованием;
• Программная и аппаратная совместимость устройств управления транспортными средствами и складским оборудованием со всеми компонентами ГПС;
• Высокая надежность элементов всех систем.

АТНС бывают межцеховые, цеховые  и локальные. Техническая оснащенность АТНС зависит от типа грузов, а грузы следует классифицировать по транспортно-техническим характеристикам: массе, форме детали, размеру, способу загрузки, виду и свойствам транспортируемого предмета (детали).

Грузы делятся на шесть основных классов:

• сыпучие;
• штучные массовые,
• штучные длинномерные;
• штучные короткомерные;
• газообразные;
• наливные.

По весу грузы делятся на:

• миниатюрные (до 0,01 кг);
• мелкие - до 0,1 кг;
• средние - от 0,5 кг до 16 кг;
• переходные - от 16 до 120 кг;
• тяжелые - свыше 120 кг.

По способу загрузки:

• в таре;
• без тары;
• на спутниках (палетах);
• кассетированные;
• в пакетах.

Без тары грузы могут транспортироваться навалом и навалом, но ориентированно.

По форме грузы бывают:

• тела вращения;
• дискообразные;
• корпусные;
• сложной формы.

По виду материала:

• металлические;
• неметаллические.

По свойствам материала:

• твердые;
• хрупкие;
• пластичные;
• магнитные.

По организации АТНС могут быть ветвящимися и неветвящимися, каждая из них при этом может быть прямоточной  и возвратной.

АТНС (или АТСС) состоит из транспортной и складской систем: АТНС = АТС + АСС.

АТС — Автоматическая транспортная система

Транспортную систему в гибких производствах можно разделить  на три большие категории: конвейерные, подвесные и напольные (рис. 3.1)

Рисунок 3.1 Классификация транспортных систем: 1 - конвейерные транспортные средства: 2 - подвесные, 3 - напольные; 1.1 - рольганги; 1.2 - конвейерные линии; 2.1 - подвесные транспортные роботы; 2.2 - подвесные транспортные конвейеры; 3.1 - управляемые транспортные тележки (фотокары); 3.2 - рельсовые тележки