Робототехнические системы с элементами искусственного интеллекта

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

РОССИЙСКАЯ  АКАДЕМИЯ НАРОДНОГО  ХОЗЯЙСТВА И ГОСУДАРСТВЕННОЙ  СЛУЖБЫ при ПРЕЗИДЕНТЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОРЛОВСКИЙ ФИЛИАЛ

ФАКУЛЬТЕТ Государственное и муниципальное управление

КАФЕДРА Информатики и информационных технологий в менеджменте 

реферат 

по учебной  дисциплине  «Интеллектуальные информационные системы»

ТЕМА: Робототехнические системы с элементами искусственного интеллекта. 
 
 
 
 

Выполнил:

Студент 4  курса группы 43 ИОСП

Шаламова  Н.В. 

Преподаватель: канд. соц. наук, доцент

Каира Ю.В. 
 
 

Орел  2011

Содержание 

Введение………………………………………………………………………...…3

1. Задачи и история робототехники, основные предпосылки к применению………………………………………………………………………4
2. Область робототехники……………………………………………………5
3. Структура и состав интеллектуальной робототехнической системы…..9
4. Пример робота-станка……………………………………………………13
5. Заключение………………………………………………………………..16
6. Список использованной литературы…………………………………….18

Введение.

     Область робототехники охватывает достаточно широкий класс машин, начиная от простейших игрушек до полностью автоматизированных производств (Автоматически управляемая электростанция, беспилотные космические корабли, автоматические подводные аппараты, ЭВМ, играющая в шахматы — все эти системы можно считать роботами). Поэтому, что называть роботом, к сожалению, не определено окончательно. В представленных лекциях уделим основное внимание промышленным роботам, в которых присутствуют элементы интеллектуальной деятельности.

     Создание "разумных" роботов связано, как  правило, с приданием им человеческих качеств. Это способность распознавать образы, участвовать в игровых  операциях, ставить задачи и принимать решения. Поэтому в дальнейших лекциях остановимся более подробно на детальном рассмотрении подсистем низшего уровня, выполняющих технологические операции обработки деталей, и связь данных подсистем с подсистемами высшего уровня.

     Применение  вычислительной техники в системах управления и программного обеспечения  позволяет реализовать интеллектуальные способности человека и заменить его в сфере оценки ситуации и  принятия решений. Совокупность интеллектуальных и механических способностей робототехнической системы позволяет заменить человека в сфере его производственной деятельности.

     Но  все вышесказанное не означает, что  роль человека будет состоять только в том, чтобы наслаждаться работой  робототехнических систем, пребывая в полной бездеятельности. Напротив его ответственность возрастает и потребуется колоcсальная нагрузка на человека, чтобы управлять сложными системами, создавать новые механизмы и обезопасить себя от любых техногенных катастроф.

Задачи  и история робототехники, основные предпосылки к применению. 

     Современная робототехника возникла на основе синтеза  механики и кибернетики и дала толчок новому направлению их развития. Для механики это оказалось связано  с многозвенными механизмами  типа манипуляторов, а для кибернетики — с интеллектуальным управлением, которое требуется для роботов последнего поколения с искусственным интеллектом.

     Таким образом задача робототехники — это развитие и синтез механики и кибернетики с целью создание и применение роботов и основанных на их использовании робототехнических систем различного назначения.

     Роль  роботов в таких системах и  комплексах может быть различной — от основной, когда роботы осуществляют главные функции, до вспомогательной, когда роботы обслуживают основное или вспомогательное оборудование, выполняющее эти функции. Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными. Роботизированные системы и комплексы, в которых роботы выполняют основные функции, называют робототехническими.

     Происхождение слова «робот» имеет славянские корни. Впервые ещё в 1920 г. его ввел известный чешский писатель К. Чапек в своей фантастической пьесе «R. U. R.» («Россумовские универсальные роботы»), где фигурировали так названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах. Чешское слово "robota" означает тяжелый подневольный труд.

     У американского писателя А. Азимова  в цикле рассказов "Я робот" был тот же подход в взгляде  о том, что собой должно представлять устройство называемое "роботом". Ошибочность их видения заключалась в том, что и Чапек и Азимов представляли робота как копию человека, которому присуще выполнение лишних функций не нужных для осуществления конкретных задач.

     Термин "промышленный робот" появился в 70-е годы.

     Первые  роботы были выпущены фирмой АМF в 1962 г. в США, затем в: 1966 г. в СССР (ЭНИКМАШ);   1967 г. в Великобритании;   1968 г. в Швеции и Японии;    1971 г. в ФРГ;   1972 г. в Франции;    1973 г. в Италии.

     Эти роботы представляли собой устройства, совершающие некоторые действия по заданной программе и не имели конкретного проеназначения и лишь в 1971 г. появились первые "современные" роботы промышленного назначения – промышленные роботы (ПР), а автоматизированные на их базе технологические комплексы — роботизированными технологическими комплексами (РТК). ПР составляют 90% всего парка роботов в мире.

     Одной из главных причин создания ПР во всем мире является экономия средств, однако в СССР по данным за 1988 г. сроки окупаемости  ПР в Минавтопроме составила 38 лет, а в Минтяжмаше – 196 лет. В 1985 г. в СССР было внедрено в производство около 600 ПР общей стоимостью 10 млн. руб., а эффективность их использования составила всего 0,2% в год, т.о общий срок окупаемости составил 500 лет.

     За  рубежом эффективность использования ПР естественно выше, а окупаемость соответственно – ниже, но эти цифры будут не существенно отличаться от данных приведенных по СССР (в 3-5 раз). 

     Область робототехники. 

     Современная быстродействующая вычислительная техника позволила качественно изменить структуру технологического оборудования. Во-первых, благодаря высокому быстродействию вычислений появилась возможность осуществлять управление механизмами, в которых перемещения не совпадают с координатами обрабатываемой детали. Например, высоко скоростные прямолинейные перемещения можно выполнять с помощью вращательных пар. Во-вторых, быстродействующие средства контроля дали возможность построить системы оперативной настройки режимов обработки, получая информацию об обрабатываемой поверхности.

     В робототехнике системы очувствления и искусственного интеллекта нашли достаточно широкое применение. Следует выделить следующие направления развития интеллектуальных роботов:

1. Промышленные роботы, работающие в производственной сфере и заменяющие человека при выполнении технологических операций. Интеллект указанных роботов заключается в их способности автоматически распознавать качество обработанной поверхности, контролировать режимы обработки и корректировать их в зависимости от поставленной цели, например, минимизировать погрешности, уменьшать энергозатраты, выбирать технологию обработки в зависимости от типа детали и требований к ее выходным характеристикам. В настоящее время это, пожалуй, основной класс роботов, которому должно быть уделено особое внимание, так как замена человека в сфере производства качественно изменит его жизнедеятельность
2. Безусловно к сугубо интеллектуальным роботам следует отнести робото-тележки, перемещающиеся по космическим планетам в условиях непредсказуемой обстановки и выполняющие операции сбора информации о местности, на основе которой они определяют направление своего движения.
3. Игровые роботы, предназначенные для тренировки спортсменов. Роботы, играющие в гольф, теннис, шахматы, соревнующиеся друг с другом, на первый взгляд указанные роботы не предназначены для замены человека на производстве. Однако, как и в человеческой деятельности, при выполнении игровых задач отрабатывается структура искусственных машин, их силовые возможности, быстродействие и интеллектуальные способности.
4. Специальные роботы, способные работать в военной обстановке, а также в условиях особо опасных для жизнедеятельности человека.

     ИРС для выполнения производственных задач, так называемые роботы-станки, являются устройствами, которые полностью автоматизируют производство по выпуску определенного вида продукции. Данное оборудование оснащается системами контроля технологических и выходных параметров обрабатываемого изделия.

     В станочном оборудовании предъявляются  достаточно высокое требования к  точности, надежности и ответственности выполняемой операции. При выполнении операций обработки и сборки сложных деталей невозможно требовать вероятностного результата. Как правило, такие операции строго детерминированы. Поэтому вероятностные поисковые методы возможны только на стадии обработки результатов. Принятие окончательного решения должно обеспечивать детерминированный результат, обеспечивающий поставленную цель.

     Особенно  высокие требования предъявляются  при обработке поверхностей сложной  формы. В этом случае необходимо более точное выполнение режимов обработки, контроль износа инструмента в процессе обработки и обеспечение одновременно нескольких параметров детали. В частности, для каждой точки поверхности нужно одновременно обеспечивать до шести геометрических параметров, не считая качества поверхности. Для сложных поверхностей, кроме требований к самим координатам, накладываются условия и на их производные.

     Для соблюдения высоких требований к  точности изготовления деталей необходимо осуществлять постоянный контроль геометрических параметров станка, размеров звеньев, температурных изменений и других параметров. Применение механизмов параллельной структуры также качественно меняет подход к проектированию станочного робототехнического оборудования.

     Понятие робот-станок было введено в 1992 году при описании станочного оборудования, построенного на механизмах параллельной структуры и позволяющего посредством одного и того же механизма выполнять транспортные операции и операции обработки. Данные механизмы позволяют расширить функциональные возможности станочного оборудования и при наличии системы управления, оснащенной элементами искусственного интеллекта, делает данное оборудование близким к интеллектуальным роботам.

     Совмещение  функций особенно актуально для  сложных высокоточных операций, когда требуется обработка детали от одной базы. В данном случае получаем универсальное оборудование, позволяющее выполнять несколько различных технологических операций для широкой номенклатуры изделий.

     Главной отличительной особенностью робота-станка от обрабатывающего центра является универсальность, точнее, более богатые кинематические возможности перемещения механизма. Безусловно, из набора роботов-станков можно построить распределенный обрабатывающий центр. Механизмы параллельной структуры расширили возможности исполнительных механизмов станков, сделали их более облегченными и универсальными. Наличие параллельных кинематических цепей позволяет управлять одним выходным звеном по нескольким параллельным каналам, обеспечивая одновременное управление по положению, скорости, более высоким производным, а также по силе. В работе приведены, хотя и не в полном объеме, механизмы параллельной структуры, которые с успехом можно применить в станочном оборудовании.

     Последующие лекции ставят своей целью показать место интеллектуальных систем в сфере промышленной робототехники. При этом роботы представляются в виде технологических систем, непосредственно выполняющих операцию обработки. Мы их называем роботами-станками, так как их кинематическая схема позволяет выполнять транспортные операции и непосредственно обработку. Применение механизмов параллельной структуры уже на низшем уровне позволяет расширить интеллектуальные возможности технологических машин. 

Структура и состав интеллектуальной робототехнической системы. 

     Интеллектуальная  робототехническая система включает объект управления совместно со средой, в которой она работает. Объект управления представляет непосредственно  механизмы перемещения инструмента  и изделия. В состав манипуляторов  входят исполнительные двигатели, которые осуществляют их перемещение по заданным законам R_Д и R_И. Информация о положении выходных звеньев манипуляторов определяется датчиками, расположенными в шарнирах звеньев манипуляторов, которые получают информации о выходных координатах механизмов перемещения, их скоростях, ускорениях и силах. Основная функция системы управления манипуляторами состоит в формировании законов перемещения исполнительными механизмами манипуляторов в реальном времени U_И(t) и U_Д(t). Данные системы обычно работают в следящем режиме, обеспечивающем выполнение каждой степенью подвижности манипуляторов заданной траектории перемещения с требуемыми точностью, скоростью и усилием. Выходными координатами манипуляторов являются R_Д и R_И. В результате взаимодействия инструмента с деталью создается усилие P(t), которое воздействует на исполнительные органы манипуляторов. Применительно к рассматриваемой системе в качестве объекта управления и внешней среды следует рассматривать манипуляторы перемещения изделия, инструмента и непосредственно сам технологический процесс. 

      
Рис.1.  Структура робототехнической системы

     Общим информационным управляющим каналом  на систему управления низшего уровня является канал передачи управляющих  сигналов U(t) и обратной связью от системы низшего уровня - сигнал R(t). Управляющее воздействие U(t) представляет выбранную программу действия из некоторого множества и соответствующую заданной детали, либо обработке заданной поверхности детали. Какую из программ следует выбрать, решается системой высшего уровня как на основе информации от системы распознавания поверхности, так и на основе указаний оператора, управляющего робототехнической системой. Выбранная программа U(t) задается непрерывно в реальном масштабе времени.

     Обратная  связь R(t) может нести полную информацию о работе системы управления низшего уровня в виде логических сигналов о ее состоянии, непрерывную информацию о геометрических размерах, качестве обработки поверхности детали и информацию о состоянии внешней среды, например, о температуре окружающей среды или двигателей, о состоянии сопутствующих обработке других устройств.

      
Рис.2.  Система управления робота-станка.

     Представленная  на рисунке 1 система является обобщенной для технологических машин широкого назначения. Более детальное представление данной системы рассмотрим на примере системы управления робота-станка (рис.2). Отличительной особенностью рассматриваемой следящей системы управления от существующих станочных систем является наличие главной обратной связи по результату обработки поверхности (вычисление ^ДA_i^*(t) ). Вычисление ^ДA_i^*(t) осуществляется в системе координат детали решением прямой задачи о положении F(q_инф.) по информации датчиков, располагаемых в сочленениях звеньев механизма. Погрешность вычисляется сравнением программного значения управляющего воздействия ^ДA_i(t) и вычисленного реального его значения ^ДA_i^*(t). Обратный Якобиан J^-1 и устройство K выполняют функции преобразования и решения линейной задачи вычисления приращений обобщенных координат q_i. Суммируя приращения на каждом шаге вычисления с предыдущим значением, формируется управляющее воздействие на исполнительные приводы q_i.

     В качестве электродвигателей приводов манипуляторов применяются безредукторные и высокомоментные электродвигатели. Это требует применения методики синтеза приводов с учетом переменности моментов инерции, а для многостепенной механической системы требуется также учитывать взаимовлияние приводов по степеням подвижности.

     Подсистема  управления высшего  уровня выполняет следующие функции. Получая информацию от оптической системы о состоянии обрабатываемой поверхности и ее геометрических размерах, данная подсистема выбирает требуемую программу обработки из некоторого детерминированного множества программ либо при ее отсутствии на основе анализа принимает наиболее близкую по критерию точности воспроизведения требуемой поверхности.

     Оптические  средства контроля геометрических размеров припуска и качества обработки (шероховатости) поверхности детали позволяют оптимизировать режимы резания. В работе приведено  описание оптической системы, построенной  с применением специальной решетки и источника монохроматического света. В настоящем курсе лекций дается описание данной системы, рассматриваются вопросы построения системы распознавания зон с заданным качеством обработки и формирования на этой основе новой программы обработки поверхности.

     Формирование  программной траектории перемещения  инструмента относительно обрабатываемой поверхности ^ДА_i(t), производится на основе информации, полученной от оптической системы контроля поверхности и экспертной оценки при выборе режимов обработки. Информация о геометрических размерах полученной после обработки поверхности контролируется оптической системой контроля. Эта система формирует также данные о качестве обрабатываемой поверхности. В зависимости от этой информации выбирается ограниченная область обработки поверхности.

     Математическая  модель объекта управления совместно  с окружающей средой, формируемая  в системе высшего уровня на основе информации, получаемой от датчиков, включает: чертеж детали с реальными геометрическими  размерами, чертеж требуемой идеальной детали и набор параметров, определяющих режимы обработки. Указанная модель позволяет, проигрывая различные ситуации, представляющие набор процедур для выполнения обработки, выбирать цель и формировать программу обработки U(t).

Пример  робота-станка 

     Пример  робота-станка, построенного на механизмах параллельной структуры и оснащенного  интеллектуальной системой обработки  информации и управления, показан  на рисунке  3. Исполнительный механизм робота-станка включает манипулятор перемещения изделия, представляющий пятизвенник, состоящий из звеньев 10, 11, 12, 13 и основания, манипулятор перемещения инструмента, который представляет собой два звена, управляемых двигателями 1 и 4 с вертикальной осью вращения. Манипулятор перемещения изделия осуществляет управляемое перемещение по четырем координатам с помощью четырех исполнительных приводов 2, 3, 8 и 14. Обработка выполняется путем взаимного перемещения инструмента 6 относительно изделия 9. Для стабилизации и удержания веса манипулятора перемещения изделия применено пневматическое устройство 16. Бабка для вращения изделия 15 и бабка для инструмента 5 содержат исполнительные приводы для вращения инструмента 7 и изделия 8. В целом механизм относительного перемещения робота-станка позволяет выполнять взаимное перемещение инструмента и изделия по шести координатам.

      
Рис.3.  Робот-станок

     В механизмах параллельной структуры  имеются кинематические пары, которые  выполняют функции преобразования движения и не содержат исполнительных силовых элементов (пятизвенник в манипуляторе перемещения изделия). В сочленениях данных пар возможна установка дополнительных датчиков, позволяющих повысить точность контроля положения выходного звена. Кроме того, установка в этих сочленениях дополнительных приводов, управляемых, к примеру, по силе, разгружает основные приводы, выполняющие перемещения по заданным координатам, и позволяет по одной и той же координате управлять положением, скоростью и силой.

     Пример  кинематической схемы робота-станка приведен для лучшего понимания  работы реальной интеллектуальной робототехнической  системы, чтобы показать место установки  датчиков и дополнительных приводов в механизме.

     В рассматриваемом курсе лекций мы не рассматриваем вопросы работы мехатронных элементов в составе интеллектуальной робототехнической системы. Безусловно, аппаратная часть системы управления робота-станка содержит мехатронные элементы. Это непосредственно оптическая система, которая включает механические элементы преобразования оптического изображения и цифровую систему обработки изображения. Встраиваемые исполнительные приводы совместно с датчиками положения также представляют мехатронные системы восприятия и преобразования информации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение.

     Первыми помощниками человека были механизмы, позволяющие увеличить его силу и скорость перемещения. Даже первые счетные машины строились на механическом принципе. Однако впервые слово «робот»  было введено Карелом Чапеком  в 1920 г. в фантастической пьесе «РУР» («Рассумские универсальные роботы»). Областью применения роботов стали области деятельности человека, опасные для его жизнедеятельности. Как правило, это были дистанционно управляемые манипуляторы для работы в атомных реакторах, в подводных аппаратах и космических кораблях. В 1947 году в Арагонской национальной лаборатории были впервые разработаны механические руки для работы с радиоактивными материалами. Уже в 1948 году данные роботы были оснащены системой отражения усилия, чтобы оператор имел возможность ощущать усилие, развиваемое исполнительным органом. Первые луноходы и марсоходы были оснащены манипуляторами для сбора грунта. Управление данными манипуляторами осуществлялось с земли по командам оператора. В 1963 году уже была исследована проблема распознавания многогранных объектов, а в 1968 году уже были созданы программные устройства, позволяющие с применением телевизионной камеры находить предметы, которые должен был взять робот своим захватным устройством.

     Таким образом, теоретические основы современной  робототехники были заложены еще  в 60-е годы, но их реализация сдерживалась отсутствием соответствующих технологий, материалов, ресурсов вычислительных систем. В это же время писатель-фантаст  Айзек Азимов придумывает слово «роботикс» (робототехника) и впервые формулирует три закона робототехники:

1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.
2. Робот должен подчинятся командам человека, если эти команды не противоречат первому закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности, пока это не противоречит первому и второму законам.

     Эти три закона Айзека Азимова до сегодняшнего дня остаются стандартами при  проектировании и разработке роботов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  использованной литературы 

1. Поздняк, Г. Е. Интегральные роботы: сборник статей// пер. с англ. и япон. под ред. Поздняка Г. Е [текст] -  М.: Мир, 2010, 76 с
2. Люгер, Д. Искусственный интеллект// Д. Люгер [текст] - М.: Мир, 2003. 690 с.
3. Гаврилова, Т. А., Хорошевский, В. Ф. Базы знаний интеллектуальных систем// Т.А. Гаврилова,  В. Ф. Хорошевский [текст] - СПб: Питер, 2001. 384 с.
4. Роботы и робототехника [Электронный ресурс]/ Режим доступа http://www.prorobot.ru.
5. Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта// Н. Нильсон [текст] – М.:Мир, 2010. 374 с.
6. Макаров И. М., Топчиев Ю. И. Робототехника. История и перспективы// И.М. Макаров, Ю.И. Топчиев [текст] - М.: Наука, МАИ, 2010. 350 с.