книги из ГПНТБ / Мясников, В. А. Программное управление оборудованием

ных блоков с небольшим числом ячеек. Такой подход может дать в руки проектантов набор средств автоматизации, требующих затрат лишь на их компоновку. Это может существенно сократить сроки строительства или реконструкции машиностроительных производств при одновременном достижении высшей степени автоматизации.

42. АДАПТИВНЫЕ РО В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Роботы с жесткой структурой управления требуют соответ­ ствующей организации внешней среды, а непредусмотренные заранее изменения в рабочей зоне робота могут приводить к сбоям, остановкам технологического процесса обработки деталей, а иногда и к более серьезным последствиям Г «Слепое» повторение одной и той же программы движений сужает области применения ро­ ботов.

Гибкость и автономность промышленных роботов может быть обеспечена системой адаптации. Обработка информации о среде функционирования и принятие соответствующего решения о не­ обходимости выполнения определенных действиий может выпол­ няться ЦВМ. Восприятие окружающей обстановки и состояния рабочих звеньев робота обеспечивается чувствительными орга­ нами — аналогами органов чувств человека.

Анализ средств адаптации робота к среде функционирования

Адаптивный робот должен самостоятельно, без вмешательства оператора гибко менять программу движений в зависимости от ситуации, которая складывается в рабочей зоне робота. Одним из конкретных направлений адаптации является адаптация про­ мышленного робота к форме и положению деталей. Так, при загрузке деталей в станки робот должен ориентированно брать произвольно расположенные детали и укладывать их в строго определенное место. В этом случае можно обойтись без специаль­ ных ориентирующих приспособлений и обеспечить большую гиб­ кость производственного участка. Однако такой адаптивный робот должен решать задачи, связанные с распознаванием обра­ зов, в частности, узнавать нужную деталь среди всех прочих независимо от ее ориентации, с необходимой степенью точности определять параметры ее положения и обеспечивать выработку соответствующих сигналов, управляющих движениями механи­ ческих звеньев.

Основным требованием, предъявляемым к системам адаптации промышленных роботов, является необходимость функциониро­ вания робота в реальном масштабе времени, что предъявляет

1 В этом параграфе использованы материалы И. Л. Ероша.

441

жесткие требования как к быстродействию управляющей ЦВМ, так и к сложности алгоритмов обработки изображений. Для большинства технологических операций па изучение обстановки в зоне действия робота и принятие соответствующих решений от­ водится время от долей секунды до единиц секунд.

Для получения информации о внешней среде могут быть исполь­ зованы различные методы, в частности, для промышленных ро­ ботов, наиболее целесообразными являются следующие:

1) использование различных датчиков (тактильных, светодатчиков, датчиков у-нзлучеппй и т. п.), устанавливаемых на захвате робота. За рубежом и в Советском Союзе изготовлено несколько вариантов лабораторных образцов роботов с очувст- в-ленным захватом, однако поиск детали таким роботом осуще­ ствляется либо с помощью оператора, либо по жесткой программе «вслепую»; время поиска детали и ее ощупывания велико, в связи с чем такие роботы найдут ограниченное применение в промыш­ ленности;

2) применение различных способов обзора рабочей зоны с по­ мощью телевизионных, лазерных и других систем. Это напра­ вление представляется весьма перспективным для обеспечения адаптации промышленного робота, несмотря на свои очевидные недостатки: сложность обработки получаемых изображений, до­ роговизна устройств, обеспечивающих обзор пространства. Не­ сколько представителей таких роботов в Японии, США и Англии уже проходят производственные испытания, выполняя простейшие сборочные операции, операции сортировки изделий

ит. и.;

3)создание специальных чувствительных поверхностей с раз­

личными типами датчиков, выполняющих функции буферных либо сборочных столов роботов. Обработка информации с датчи­ ков чувствительных поверхностей позволяет производить рас­ познавание и определять параметры положения деталей по их плоским проекциям. В настоящее время разработан и реализо­ ван целый спектр чувствительных поверхностей, использующих принципы, обеспечивающие различную точность определения па­ раметров положения деталей. Анализ конкретных производств убедительно доказывает перспективность метода обеспечения адап­ тации роботов за счет использования чувствительных поверх­ ностей;

4) использование естественного движения деталей на произ­ водстве для классификации и определения динамических пара­ метров положения. Перспективность этого направления связана с тем, что практически любое производство связано с перемеще­ нием деталей от одного рабочего места к другому. Детали пере­ мещаются вручную в специальной таре, на тележках, различного рода конвейерах. Использование неподвижных датчиков для распознавания движущихся деталей позволяет получать изоб­ ражения, легко обрабатываемые на ЦВМ, практически пеогра-

442

ниченных размеров в одном измерении при малом числе воспри­ нимающих элементов.

На первом этапе внедрения адаптивных роботов в промышлен­ ность целесообразно по возможности упрощать задачи распозна­ вания, для чего:

1) производить классификацию и определять параметры по­ ложения деталей по их плоским проекциям, отображаемым двумер­ ными матрицами (рецепторными полями), с дискретными зна­ чениями сигналов рецепторов;

2)выбирать средства и принимать меры для получения изо­ бражений с минимальными линейными и нелинейными искаже­ ниями;

3)выбирать производственные ситуации, однозначное раз­ личение деталей в которых возможно при малом числе рецепторов на рецепторном поле;

4)алгоритмы распознавания строить так, чтобы основная

часть вычислений выполнялась бы на этапе обучения робота, а рабочий режим вычислений по возможности совмещать во вре­ мени с движениями механических звеньев;

5) для обработки дискретных изображений на ЦВМ исполь­ зовать методы дискретного анализа (разложение изображений либо отдельных его частей в ряды по ортогональным функциям Уолша, Хаара, Крестенсона, использование дискретных функ­ ций авто- и взаимной корреляции и т. п.).

Анализ различных производств показывает, что адаптивные роботы в ближайшее время найдут широкое применение для комплексной автоматизации многих производственных процессов. В настоящее время роботы с относительно простыми системами адаптации, управляемые от ЦВМ или от специализированных вычислителей могут быть использованы для обслуживания прес­ совых и штамповочных агрегатов, станков с числовым програм­ мным управлением, для выполнения операций контроля, сорти­ ровки изделий, ориентированной укладки деталей в тару, сборки узлов из деталей заданных форм и других технологических опе­ раций.

Чувствительные поверхности как элементы осязания промышленных роботов

Объекты манипулирования, участвующие в реальных произ­ водственных процессах, часто имеют простейшую геометричес­ кую форму, характеризующуюся наличием прямых углов, парал­ лельных граней и т. п. (например, упаковочные ящики или заго­ товки в виде прямоугольных брусков в металлообрабатывающей промышленности). Для таких объектов трехмерная задача опре­ деления геометрических параметров объекта существенно упро­ щается и может быть приведена к двухмерной, «плоской» задаче. При этом упрощается также система сбора и обработки информа­ ции об окружающей среде, а в качестве «органов чувств» робота

443

могут быть применены дискретные чувствительные поверхности

(ДЧП).

Дискретные чувствительные поверхности являются одним из наиболее перспективных типов «органов осязания» адаптивных промышленных роботов. Можно выделить следующие основные преимущества применения ДЧП по сравнению с другими систе­ мами восприятия информации о внешней среде:

1) простота технической реализации ДЧП, не требующая при­ менения сложных и дорогих оптических или телевизионных уст­ ройств;

2) легкость сопряжения ДЧП с различным технологическим

нов осязания» промышленных роботов необходимо предварительно рассмотреть вопрос об усло­ виях надежного взятия предмета схватом робота, так как вслед­ ствие дискретности структуры ДЧП координаты объекта и его ориентация на плоскости определяются с некоторой ошибкой.

Рассмотрим объект манипулирования, имеющий форму пря­ моугольного параллелепипеда с размерами а Х Ь х с . Проекция

такого предмета на плоскость чувствительного поля будет иметь размеры a X b . Предполагаем, что схват робота — плоскопарал­

лельный и достаточно протяженный, т. е. такой, длина губок ко­ торого не меньше длины предмета.

Ширина разведения схвата Lmln, при которой достигается

взятие предмета, определяется в зависимости от полученной погрешности определения угла ориентации Дер следующим об­

Втабл. 20 приведены значения относительной ширины раз­ ведения схвата Lmln/b.

Внастоящее время разработаны и реализованы различные

варианты чувствительных поверхностей, использующие различ­

444

ные датчики и способы считывания информации о размерах и. положении деталей. Наиболее полно форма деталей и параметры их положения воспроизводятся полями точечного типа, в которых датчики информации (тактильные, емкостные, магнитные и т. п.) располагаются в узлах координатной сетки. Более простая реа­ лизация поля и устройства обработки информации получается для полей «теневого» типа, содержащих воспринимающие линии, которые располагаются под различными углами (поля с прямо­ угольной сеткой координат, кососимметрические поля). В этом

Дискретные чувствительные поверхности «теневого типа». Двухкоординатное ДЧП с нерельефными тенями является простей­ шим типом теневых ДЧП. Рассмотрим на чувствительной поверх­ ности плоскую фигуру типа прямоугольник с размерами aXb и геометрическим центром в точке С (рис. 212).

В данном случае наиболее просто определяются координаты центра предмета:

Угол ориентации предмета относительно осей координат при этом может быть определен лишь с точностью до знака. Обозна­ чим размеры проекций предмета на координатные осп X и Y соот­

ветственно

Х = Х 2 — Х г И у = у2. — ух.

Используя введенные обозначения, можно записать:

где а и b — размеры предмета.

Знак модуля угла ф введен из-за наличия второго положения предмета на ДЧП, при котором получаются те же размеры проек­ ций, но угол ф меняет знак на противоположный.

Из (IX. 1) следует, что:

445

.Очевидно, что данный метод определения угла ориентации пред­ мета на ДЧП может применяться лишь в тех случаях, когда знак угла известен заранее пли определяется при помощи каких-либо дополнительных устройств. Основным достоинством рассмотрен­ ного метода является его простота.

Трехкоординатное ДЧП с нерельефными тенями. Определе­

ние знака угла ср возможно при использовании проекции пред­ мета на дополнительную ось Z ДЧП, расположенную под углом

45° к осям X и Y (рис. 213).

Из рис. 213 следует, что

(IX.5)

b при ф = —

При ф =ь ± справедливы следующие соотношения:

Рассмотренный метод дает принципиальную возможность оп­ ределения центра и угла поворота объекта, лежащего на ДЧП.

446

Алгол-программа определения координат центра и угла ориен­ тации предмета с учетом выражений (IX.5— IX.9) имеет следую-’ щий вид:

begin

real ср, XI, Х2, Yl, Y2, cpl, ZI, Z2, ХС, YC, а, Ь, К, X, Z, ZK\ ввод (XI, Х2, Y\, Y2, Z 1, Z2, а, Ь)\

ХС: = (Х2 — X 1)/2;

YC: = (Y2 — Y 1)/2;

X:= Х2 — XI;

Y:= Y2 — YY,

Z:= Z2 — Z1;

вывод (XC, YC, cp) end

Однако очень важно в этом случае оценить-точность получае­ мых результатов в зависимости от максимально допустимых зна­ чений | Аср | и величины шага квантования h вдоль осей координат,

так как на основании этой оценки можно определить соотношение между углом | Дер | н величиной шага квантования h, т. е. сфор­

мулировать требования к конструктивным параметрам ДЧП. В соответствии с IX.4 с учетом ошибок можно записать:

Из самого способа получения проекций предмета на координатные оси вытекает, что длина проекции может быть получена с точностью от 0 до -|-2h, где h — величина шага квантования вдоль оси.

При этом учитывается, что в реальных конструкциях ширина за­ зора много меньше /г. Очевидно, что самое неблагоприятное со­ четание ошибок | Аср |, | Аде | и |А//| получается при:

447

возможным вариантом испол­ нительного органа робота при манипулировании с объектами сложной формы.

Предположим, что проекция предмета закрывает на ДЧП п

элементарных площадок At.

448

Известно, что координаты центра тяжести плоской фигуры можно вычислить следующим образом:

где х. и уj — соответствующие координаты элементарных площа­

док.

где S — площадь проекции предмета на ДЧП.

Информация о состоянии ДЧП может быть отображена в не­ котором массиве памяти размером т X k так, что покрытому

элементу ДЧП соответствует состояние элемента памяти, равное «1». Если же элемент ДЧП не покрыт предметом, то соответствую­ щий ему элемент памяти находится в состоянии «О».

на Алголе для вычисления координат центра тяжести плоского предмета с помощью ДЧП точечного типа:

begin integer т, К',

ввод (т, /();

begin real ХС, УС; integer Q, Р, S, i, /; array delta [1 : К, 1 : ml;

ввод (delta);

Эта задача может быть также решена с помощью несложного специализированного вычислительного устройства.

Роботы для обслуживания поточных линий

Практически любое производство предполагает движение де­ талей с одной технологической позиции на другую. Детали пере­ носятся вручную поштучно, группами в специальной таре, пере­ возятся на тележках, транспортируются различного рода конвейе­ рами. Определение формы, размеров и динамических параметров положения деталей может выполняться системой неподвижных датчиков, что позволяет значительно сократить число восприни­ мающих элементов, увеличить надежность системы восприятия окружающей обстановки робота и одновременно резко уменьшить ее стоимость. Обработка информации в этом случае может осуще­ ствляться последовательно, что также приводит к упрощению си­ стемы управления адаптивным роботом.

В современном производстве широкое распространение полу­ чили конвейеры как средство доставки деталей с одного рабочего места на другое. Однако операции по снятию деталей с конвейера, сортировке, контролю и т. п. операции, как правило, выполняются вручную. За редким исключением в настоящее время не делается даже попыток автоматизировать операции, связанные с транспор­ тировкой деталей с помощью конвейерных линий. Например, на заводах фарфоро-фаянсовых изделий основные операции фор­ мовки, ошкуривания (полировки), нанесения рисунка, покрытия различными эмульсиями, нагрева и укладки в тару готовой про­ дукции связаны в единую цепь конвейерными линиями. Однако только некоторые операции такого производства допускают исполь­ зование роботов с жесткой структурой управления, несмотря на то, что большая часть изделий имеет очень простую форму. К таким операциям можно отнести перенос заготовок из формовочной машины на конвейер, выгрузку изделий из нагревательных печей и некоторые другие. Большая же часть операций выполняется вручную, так как эти операции требуют гибкого управления ввиду того, что местоположение изделий на ленте конвейера случайно

4 5 0