книги / Робот. Компьютер. Гибкое производство

.работоспособность при сварке по швам сложной конфи­ гурации.

В современных сварочных роботах для адаптации к заранее неизвестному криволинейному шву на сварочной головке устанавливаются электромеханические, индук­ ционные или видеодатчики. Иногда в качестве датчиков расстояния до шва используют саму сварочную дугу. При этом информацию о шве несет напряжение дуги или сва­ рочный ток. Достоинством такой «дуговой» адаптации является возможность обойтись без дополнительных дат­ чиков наведения на шов.

Для адаптации к форме свариваемых деталей и само­ го шва в качестве видеодатчика используется лазерный дальномер, вращающийся вокруг сварочной головки. Он позволяет по результатам сканирования зоны сварки сформировать ее трехмерную модель. Эта локальная мо­ дель используется в системе адаптивного управления для адаптивной коррекции программы движения сварочной головки и самонастройки технологических параметров, обеспечивающих заданный режим сварки вдоль линии шва.

Остановимся теперь подробнее на особенностях адап­ тивного управления сборочными роботами. Основные трудности при роботизированной сборке связаны с неоп­ ределенностью положения и ориентации деталей, в также с нетехнологичностью собираемых изделий. Указанная неопределенность часто обусловлена неточностью пози­ ционирования и фиксации деталей, погрешностями их из­ готовления и т. п. Для сопряжения деталей в этих усло­ виях применяются пассивные и активные средства адап­ тации.

Пассивная адаптация заключается в изготовлении и использовании специальных позиционеров, вибраторов, центрирующих устройств и т. и., позволяющих компен­ сировать априорную неопределенность в расположении деталей. Недостатком средств пассивной адаптации яв­ ляется сложность или невозможность их переналадки на сборку новых изделий.

Гораздо более гибкими и универсальными являются средства активной адаптации, встраиваемые в систему управления робота. Адептация к неопределенности поло­ жения и ориентации деталей в этом случае имеет актив­ ный характер и сводится к коррекции закона управления с учетом сигналов от датчиков сенсорной системы. В ка­ честве таких датчиков часто используются датчики сил

81

и моментов, возникающих при взаимодействии собирае­ мых деталей.

Одним из основных способов сборки микроэлектрон­ ных изделий является ультразвуковая сварка. Для ее ав­ томатизации служат адаптивные роботы, снабженные си­ стемой технического зрения. Эти роботы обеспечивают сверхточную сборку, которую невозможно осуществить вручную. Рассмотрим особенности адаптации при микро­ сварке на примере сборочного робота, разработанного в СССР [3].

Система адаптивного управления робота управляет четырьмя шаговыми приводами, осуществляющими вер­ тикальное перемещение ультразвуковой сварочной голов­ ки, горизонтальные перемещения плиты и вращение ра­ бочего столика, закрепленного на плите. Процесс управ­ ления начинается с определения абсолютных координат кристалла и корпуса. После этого рабочий столик с обра­ батываемым изделием автоматически ориентируется и устанавливается точно под сварочной головкой. Затем включается привод вертикального перемещения и свароч­ ная головка опускается до тех пор, пока не возникнет контакт инструмента и проволоки со свариваемым изде­ лием. После сварки в двух заранее выбранных точках и обрыва проволоки сварочная головка отводится в исход­ ное положение и цикл повторяется.

Для увеличения точности позиционирования свароч­ ной головки в адаптивной системе управления исполь­ зуется обратная связь через видеодатчик. Этот датчик представляет собой прибор с зарядовой связью, рабо­ тающий по принципу самосканирования. Он обладает рядом достоинств: высокая разрешающая способность (2—5 мкм), большая контрастная чувствительность и ма­ лые габариты. Информация о видимом изображении в зоне сварки обрабатывается с помощью методов распо­ знавания образов. В результате выделяются кристаллы, подлежащие микросварке, и определяются их координа­ ты. Далее вычисляется отклонение этих координат от их ожидаемых (эталонных) значений. Эта информация ис­ пользуется для коррекции управляющих сигналов, пода­ ваемых на шаговые приводы координатного стола. Тем самым осуществляется адаптивное позиционирование сто­ ла вместе с закрепленным на нем изделием с высокой точностью (порядка 2—5 мкм).

Система управления обеспечивает также адаптацию к дрейфу технологических параметров, влияющих на каче­

82

ство изделий. Поэтому «технологическая» адаптация тес­ но связана с оперативным неразрушающим контролем качества сварного соединения. Если это качество неудов­ летворительно, сварочная головка автоматически отклю­ чается.

Использование адаптивных роботов для микросварки позволило повысить производительность труда при сборке микроэлектронных изделий в 10 раз [3]. Однако это не предел. Наивысшие экономические показатели достигают­ ся в рамках гибких производственных систем сборки микроэлектронных приборов, создаваемых на базе адап­ тивных роботов. Такие системы способны быстро пере­ страиваться со сборки одних изделий на другие и при­ спосабливаться к изменяющимся производственным усло­ виям.

Адаптивны® транспортные роботы

Транспортный робот представляет собой самоходную ма­ шину с автоматическим управлением. Двигательная си­ стема робота обычно состоит из колесного или гусенич­ ного шасси со встроенными тяговыми и рулевыми при­ водами. Сенсорная система служит в основном для одределения навигационных характеристик робота, т. е. его местоположения и ориентации в рабочей зоне, а также для обеспечения взаимодействия робота с окружающей средой. Система управления, используя сигналы обратной связи о фактическом положении и ориентации робота, вы­ рабатывает такие управляющие воздействия на тяговые и рулевые приводы, при отработке которых робот дви­ жется по заданной трассе с требуемой скоростью.

Главная трудность при организации автоматического вождения робота заключается в синтезе алгоритмов адап­ тивного управления, обеспечивающих выполнение задан­ ной последовательности транспортных операций в неде­ терминированной обстановке. Алгоритм управления есть закон формирования сигналов, управляющих работой тя­ говых и рулевых приводов на основе информации о трас­ се движения и о текущих навигационных характеристи­

трассы, по которой надлежит двигаться роботу. Эта трас­ са зачастую представляет собой токопроводящий кабель,

83

проложенный под полом цеха, или линию на полу, начер­ ченную специальной краской.

Проблема автоматического управления роботом по по­ стоянной трассе в настоящее время технически решена. Теоретической основой решения является принцип само­ наведения робота на трассу. Для реализации этого прин­ ципа обычно используют индукционные или оптические датчики наведения. Траспортные роботы, в системе управления которых применяют указанные средства, принято называть роботами с самонаведением на трассу.

Общим недостатком таких роботов является необходи­ мость физической прокладки трассы движения. В усло­ виях гибкого автоматизированного производства (ГАП) технологические маршруты и связанные с ними трассы для транспортировки грузов часто изменяются. Поэтому на практике, как правило, не удается заранее рассчитать и проложить все трассы, потребность в которых может возникнуть в будущем. В то же время перекладка трассы трудоемка и требует вмешательства человека. Все эго снижает производительность и автономность ГАП.

Более перспективны для ГАП транспортные роботы с адаптивным управлением от бортовых микропроцессоров или микрокомпьютера. Отличительной чертой этих робо­ тов является то, что формирование и хранение програм­ мы (маршрута) движения производится в памяти систе­ мы управления. При этом вообще отпадает необходимость в предварительной прокладке трассы в рабочей зоне в виде кабеля индукционного наведения или светочувст­ вительной полосы.

Благодаря гибкому программированию движений адаптивные траспортные роботы способны оперативно корректировать и оптимизировать трассу, объезжать пре­ пятствия и обеспечивать точную доставку грузов по адре­ сам, предписываемым технологическим процессом. Для обеспечения движения робота по маршруту, хранящему­ ся в памяти системы управления, необходима навига­ ционная система. Она служит источником сигналов об­ ратных связей для системы адаптивного управления, осуществляющей корректировку алгоритма управления с учетом реального местоположения и ориентации робота.

Рассмотрим особенности адаптивного управления транспортными роботами на примере робота, схематично изображенного на рис. 5. Макет этого робота создан в 1975 г. в Ленинградском университете [1]. Он имеет самоходное гусеничное шасси, приводимое в движение с

84

Рис. 5. Макет транспортного робота

1 — тактильные датчики, 2 — фотоприемники, 3 — ультразвуковой сканирующий дальномер, 4 — кабель связи с управляющей ЭВМ, 5 — ведущие звездочки, сопряженные с электродвигателем, 6 — бортовой электронный блок

помощью двух независимых электродвигателей, сопря­ женных с ведущими звездочками. Система адаптивного управления робота обеспечивает выполнение кома т, «вперед», «назад», «вправо», задаваемых компьютером. Маневрирование осуществляли реверсом ведущих звез­ дочек.

Алгоритм обработки сенсорной информации, планиро­ вания безопасного маршрута, программирования движе­ ния шасси и адаптивного управления приводами реализо­ ван в виде пакета иерархически связанных про­ граммных модулей. Первый модуль обеспечивает ввод п интерпретацию в кодах компьютера задания на транс­ портировку грузов. Второй модуль формирует модель окружающей среды на основании данных, поступающих от датчиков сенсорной системы. Третий модуль плани­ рует безопасный маршрут с учетом априорной и текущей информации о препятствиях. Четвертый модуль форми­ рует программу движения шасси по заданному маршруту. Пятый модуль решает задачу навигации и синтезирует адаптивное управление приводами ведущих звездочек.

На борту робота установлен сканер с независимым электроприводом, вращающий в горизонтальной плоскос­ ти ультразвуковой дальномер и узконаправленный фото­ датчик. Ультразвуковой дальномер позволяет определить расстояние до препятствий в рабочей зоне. Для этого ис­

85

пользуется машинный датчик времени (таймер), который фиксирует моменты времени между посылкой и приемом ультразвуковых импульсов.

Определение местоположения и ориентации робота производится с помощью навигационной системы, пред­ ставляющей собой узконаправленный фотодатчик и четы­ ре световых маяка. По команде о выдаче навигационной информации с потенциометрического датчика сканера считывается сигнал, пропорциональный углу поворота фотодатчика, а пороговый элемент формирует двоичный сигнал, свидетельствующий о наличии (или отсутствии) светового маяка в поле зрения фотодатчика. Эти сигналы подаются в управляющий компьютер, где программный модуль навигации вычисляет координаты и ориентацию робота в неподвижной системе координат.

Управление движением шасси и опрос датчиков сен­ сорной системы осуществляются посредством формирова­ ния последовательности командных сигналов необходи­ мой длительности. Например, по команде «вперед» одно­ временно включаются тяговые электроприводы, которые обеспечивают поступательное движение робота в течение времени действия команды. По команде сбора информа­ ции о препятствиях дальномер выполняет локацию окру­ жающей среды, обнаруживает и формирует в памяти системы управления модель среды. Информация о пре­ пятствиях приводится к виду, удобному для ее использо­ вания в программном модуле планирования безопасного маршрута.

При автоматическом построении маршрута движения робота используется простейшая модель среды, представ­ ляющая собой плоский план рабочей зоны (например, цеха), на котором препятствия аппроксимируются много­ гранниками. Искомый маршрут строится в виде ломаной линии, соединяющей начальное и конечное положения робота и огибающей препятствия. Маршрут называется оптимальным, если он имеет наименьшую длину из всех возможных маршрутов, ведущих в целевую точку.

На практике часть объектов среды, играющих роль препятствий, может быть известна роботу. Сведения об этих объектах доставляет сенсорная система (например, ультразвуковой сканирующий дальномер). В таких усло­ виях из-за неполной информации о препятствиях в об­ щем случае невозможно построить оптимальный безопас­ ный маршрут. Поэтому маршрут строится следующим образом. Робот, находясь в начальной точке, опрашивает

86

сенсорную систему. Если в зоне ее действия обнаружатся препятствия, вносятся соответствующие коррективы в модель среды. На базе этой модели строится локально оптимальный безопасный маршрут и робот перемещается по нему в пределах начальной зоны обзора. Затем оа вновь опрашивает сенсорную систему, корректирует мо­ дель среды, вычисляет дальнейший маршрут и т. д. В результате строится безопасный маршрут движения в виде ломаной линии, которая соединяет начальную и це­ левую точки и огибает заранее неизвестные препятствия. Таким образом решается задача адаптации к препят­ ствиям.

Для управления движением робота по проложенному маршруту с требуемой скоростью нужно прежде всего построить программную траекторию его центра масс. Обычно эта траектория стронтся в виде полинома от вре­ мени, коэффициенты которого выражаются через проме­ жуточные точки маршрута и заданные конструктивные ограничения.

Синтез закона управления, обеспечивающего осуще­ ствление заданной программной траектории, осложняется тем, что реальная траектория движения робота сущест­ венно зависит от распределения нагрузки на шасси, фи­ зико-механических свойств поверхности, динамических характеристик исполнительных приводов и т. д. На прак­ тике указанные факторы неопределенности не только не­ известны, но и могут дрейфовать непредсказуемым обра­ зом в широком диапазоне. При программном управлении они приводят к отклонению реальной траектории робота от программной. Для уменьшения рассогласования при­ ходится часто опрашивать навигационную систему и кор­ ректировать программную траекторию с учетом фактиче­ ского положения робота. Это приводит к запаздыванию в управлении и, как следствие, к потере точности.

Поэтому в недетерминированных условиях целесооб­ разно строить законы адаптивного управления, исполь­ зующие алгоритмы идентификации или самонастройки неопределенных характеристик.

Идентификация сводятся к возможно более точному определению неизвестных параметров по результатам на­ блюдения за движением робота при заданном алгоритме управления. Однако из-за наличия помех и непредсказуе­ мых возмущений точная идентификация на практике за­ труднена, а в ряде случаев и невозможна. Поэтому для получения текущих значений неопределенных или дрей­

87

фующих параметров приходится оснащать робот допол­ нительными датчиками.

Более перспективны алгоритмы управления без иден­ тификации. Они основаны на принципе самонастройки и обладают рядом достоинств. Во-первых, эти алгоритмы позволяют достичь цели без оснащения робота, дополни­ тельными датчиками. При этом самонастройка парамет­ ров регулятора происходит в процессе нормальной экс­ плуатации робота по сигналам рассогласования между реальной и программной траекториями, Во-вторых, систе­ ма управления с самонастройкой придает роботу высокую надежность. Это обеспечивается большими адаптацион­ ными возможностями такой системы по отношению к ши­ рокому классу помех и возмущений.

Экспериментальная проверка разработанного алгорит­ мического и программного обеспечения для системы адап­ тивного управления транспортным роботом показала его эффективность. Накопленный опыт использовался при разработке более совершенного макета транспортного ро­ бота с бортовым манипулятором и адаптивным управле­ нием [9]. Шасси робота трехосное, причем передняя и задняя оси связаны между собой так, что обеспечивает­ ся синхронный поворот передней и задней пар колес. Средняя ось имеет два тяговых электрических сервопри­ вода, связанных с ведущими колесами. Манипулятор робота имеет четыре степени свободы и сменный схват.

Сенсорная система включает в себя главный скани­ рующий локатор дальнего обзора и жестко с ним свя­ занный узконаправленный навигационный фотодатчик, передние и задние звуковые локаторы ближнего дейст­ вия, две телевизионные камеры и потенциометрические датчики углов, связанные с сервоприводами шасси, мани­ пулятора и сканера.

В качестве элементов искусственного интеллекта вы­ ступают программные модули, реализующие функции распознавания препятствий и целевых объектов, форми­ рования понятий и модели рабочей зоны, а также плани­ рования и оптимизации безопасного маршрута для шасси и автоматического программирования движений для ма­ нипулятора. На нижнем уровне системы адаптивного управления осуществляется сервоуправление исполни­ тельными приводами.

В последнее время появились также промышленные образцы колесных транспортных роботов с элементами адаптации, которые успешно используют в некоторых

88

отечественных ГАП. Примером могут служить транспорт­ ные роботы с оптическим самонаведением на легко из­ меняемую трассу типа НЦ ТМ-25, НЦ ТМ-12 и МП-12Т.

Робот МП-12Т представляет собой самоходную тележ­ ку с четырехколесным шасси, на борту которой находит­ ся автоматический манипулятор. Конструкция тележки и манипулятора модульная, что позволяет в зависимости от производственной необходимости изменять кинематиче­ скую структуру робота. Грузоподъемность манипулято­ ра —20 кг, а грузоподъемность тележки —200 кг. Робот имеет шесть степеней свободы. Скорость перемещения тележки не превышает 0,7 м/с. Габаритные размеры те­ лежки —1500X 1000X 1500 мм. Робот получает питание от аккумуляторных батарей, обеспечивающих ему воз­ можность непрерывной работы в течение 8 ч.

Сенсорная система размещена непосредственно на ро­ боте. Трасса движения задается с помощью светоотра­ жающей полосы. Для наведения на трассу использованы фотодатчики. Сигналы обратной связи от этих датчиков поступают в сервоприводы ведущих колес, обеспечиваю­ щих перемещение робота вдоль трассы-полосы.

Бортовая система управления с элементами адапта­ ции реализована на базе микрокомпьютера «Электрони- ка-60». Она служит для выполнения в автоматическом режиме погрузочно-разгрузочных операций на складе и при обслуживании технологического оборудования, опе­ раций транспортировки грузов по предварительно проло­ женной трассе, а также распознавания объектов манипу­ лирования и координации действий.

Автоматизация манипуляционных и транспортных операций требует разработки видеодатчиков и связанных с ними средств распознавания и интерпретации производ­ ственной обстановки. В качестве датчиков видеосигналов в роботах используют телекамеры, фотодиоды и лазеры. Системы распознавания и интерпретации видеоинформа­ ции реализуются в виде программного обеспечения си­ стем адаптивного управления роботов. Их использование существенно расширяет адаптационные возможности ро­ ботов. Поэтому в ряде стран ведут интенсивные разработ­ ки в области совершенствования промышленных систем технического зрения и организации их серийного вы­ пуска.

89

Адаптивные робототехнические комплексы

Наибольший технико-экономический эффект достигается при совместном использовании роботов и технологическо­ го оборудования в составе робототехнических комплек­ сов (РТК) с единой системой адаптивного управления на базе современных средств вычислительной техники. РТК с адаптивным управлением отличаются высокой на­ дежностью и живучестью в изменяющейся производст­ венной обстановке. Это свойство адаптивных РТК делает их незаменимым элементом ГАП. В составе ГАП такие РТК обычно работают автономно. Роль человека сводит­ ся в основном к «озадачиванию» РТК и к эпизодическо­ му контролю за ходом исполнения технологических про­ цессов.

Организация управления РТК сводится к построению микропроцессорных систем адаптивного управления для роботов и технологического оборудования, входящего в состав РТК, и обеспечению их согласованной работы с помощью координирующего микроили миникомпьютера. Адаптивные РТК могут использоваться как в обычном режиме программного управления, так и (по мере необ­ ходимости) в адаптивном режиме. Переход от одного ре­ жима управления к другому осуществляется автомати­ чески.

Компоновка адаптивных РТК весьма разнообразна. Она зависит от технологии, состава оборудования и функ­ циональных возможностей роботов. Например, в состав РТК механообработки могут входить:

1)адаптивные станки со сменным инструментом (то­ карные и фрезерные станки, обрабатывающие центры, прессы с адаптивным управлением и т. п.);

2)манипуляционные роботы со сменными схватами;

3)промежуточные накопители (перегрузочный стол, стойки, спутники и т. п.);

4)автоматические системы смены спутников;

5)адаптивные транспортные роботы.

Рассмотрим особенности адаптивных РТК механооб­ работки. Обычно такие РТК создаются на базе имеюще­ гося на предприятии программно-управляемого оборудо­ вания путем введения необходимых элементов очувствле­ ния, адаптации и искусственного интеллекта. Вместе с тем развивается и другой подход, связанный с разра­ боткой принципиально новых технологий и специализи­

90