§ 3.12.2. Классификация адаптивных систем управления

промышленными роботами.

В соответствии с различными определениями термина «адаптация», в задачах робототехники различают два типа адаптивных систем управления.

1. Адаптивные (очувствленные) системы управления, имеющие в своем составе сенсорные устройства, обеспечивающие получение информации о состоянии среды и (или) свойствах отдельных объектов. Полученная от сенсоров информация перерабатывается с целью решения различных задач, связанных с формированием управляющих сигналов (адаптация в широком смысле).

2. Адаптивные (обучающиеся) системы управления, в которых для обработки информации о состоянии среды и (или) о состоянии отдельных звеньев или подсистем робота применяются адаптивные алгоритмы, т.е. алгоритмы, способные изменяться под воздействием текущей или обучающей информации с целью оптимизации качества решения задачи в условиях неопределенности (адаптация в узком смысле).

Роботы, основанные на применении первого из указанных типов управления, называются адаптивными. Системы управления роботами, реализующими второй способ адаптивного управления, называют системами управления с адаптивными (или обучающимися) алгоритмами обработки информации.

Основным признаком для адаптивных систем управления первого типа является наличие сенсорной системы, получающей информацию о внешнем мире. Для адаптивной системы управления (или адаптивной системы переработки информации) главным признаком служит использование приспосабливающихся (адаптивных алгоритмов) обработки информации в изменяющихся условиях. Для реализации обучающихся систем управления (переработки информации) необходимым условием является наличие «учителя» и процесса обучения.

Возможно применение обоих принципов адаптации, когда в системе управления имеется сенсорная подсистема, и в одной или нескольких подсистемах применяются адаптивные алгоритмы переработки информации.

Рассмотрим классификацию адаптивных (очувствленных) систем управления первого типа (адаптация в широком смысле).

По функциональному назначению самого робота эти системы могут быть разделены на адаптивные системы управления манипуляционными и подвижными роботами. Классификация подвижных роботов будет рассмотрена позже.

Наиболее важными признаками для классификации рассматриваемых адаптивных систем управления являются характеристики применяемых сенсорных устройств.

По признаку моделирования функций биосенсоров технические сенсоры можно классифицировать на визуальные, слуховые, тактильные и кинестетические.

Визуальные сенсоры обеспечивают дистанционное получение информации о геометрических и, возможно, некоторых физических характеристиках внешней среды (цвет, свойства грунта). Существует большое число технических средств, которые могут быть применены для решения этой задачи: телевизионные системы различного типа, оптико-электронные приборы с зарядовой связью (ПЗС) и фотодиодные матрицы и линейки, различные локационные устройства.

Слуховые (акустические) сенсоры предназначены для восприятия звуковых колебаний и идентификации на их основе соответствующего акустического образа. Важное значение звуковые устройства имеют для организации речевой связи между человеком-оператором и роботом.

Тактильные сенсоры позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды. Они широко применяются для очувствления схвата манипулятора и корпуса робота.

Кинестетические сенсоры в живых организмах формируют мышечное чувство, позволяющее получить информацию о положении отдельных органов и усилиях в них.

Аналогичные задачи решаются в технике с помощью датчиков положения, скорости, измерителей усилий и моментов. По информации от датчиков усилий и моментов в шарнирах манипулятора могут быть определены и силомоментные характеристики взаимодействия с внешними объектами.

Для решения разнообразных задач адаптивные роботы должны иметь соответствующие «радиусы очувствления», т.е. воспринимать сенсорную информацию на требуемом расстоянии от ее источника. Биосенсоры по этому признаку делятся на дистантные (рецепторы зрения, слуха и обоняния) и контактные, определяющие параметры самой среды или процесса взаимодействия с ней только при непосредственном соприкосновении рецептора со средой (рецепторы осязания и вкуса).

Технические сенсоры по указанному признаку можно разделить на сверхближние (контактные), ближние, дальние и сверхдальние. Сверхближними сенсорными устройствами являются тактильные и кинестетические сенсоры, датчики пройденного пути, измерители плотности.

Сенсорные устройства ближнего и дальнего действия позволяют получать бесконтактным способом информацию о внешней среде вблизи робота (например, с помощью локационных сенсоров схвата) и в объеме всей рабочей зоны соответственно. Наиболее важное значение среди сенсоров дальнего действия имеют различные визуальные системы (системы технического зрения).

Сенсорные устройства сверхдальнего действия могут применяться для управления транспортными и исследовательскими роботами в составе различных навигационных систем.

Перейдем к рассмотрению областей применения и классификации систем управления с адаптивными алгоритмами обработки информации (адаптация в узком смысле). Адаптивные алгоритмы и системы, разрабатываемые для решения различных робототехнических задач (восприятия внешней среды, управления и планирования), могут классифицироваться в зависимости от типа структур, реализующих выбранные способы представления априорной, текущей и обучающей информации. Существенное значение для характеристики различных адаптивных систем имеют объем и структура памяти, реализующей модель среды, а также быстродействие процессов адаптации.

Рассмотрим некоторые задачи адаптации и обучения, которые могут возникать при создании алгоритмического обеспечения подсистем робота.

1. Исполнительный уровень. На исполнительный уровень поступают сигналы, определяющие необходимые изменения обобщенных координат, степеней подвижности эффекторной системы. Исполнительный уровень обычно представляет собой привод — электрический, пневматический или гидравлический, с помощью которого обеспечиваются требуемые усилия в каждой из степеней подвижности. Эти усилия определяются весовыми и геометрическими характеристиками объектов, которые робот должен перемещать. В зависимости от этих характеристик изменяется нагрузка привода, причем качество работы привода может при этом существенно ухудшиться. Кроме того, изменение трения и зазоров в шарнирах кинематической цепи эффекторной системы также влияет на динамические характеристики привода. Поэтому в ряде случаев необходимо применять принципы адаптации для построения привода, обеспечивающего требуемое качество работы исполнительного уровня в условиях указанных изменений характеристик «внешней среды».

2. Тактический уровень. Тактический уровень «раскладывает» требуемое движение рабочего органа на соответствующие перемещения степеней подвижности. В живых организмах при нарушении работы одного из суставов (или одной конечности) происходит соответствующее изменение режима работы других суставов (или конечностей) с целью выполнения требуемого движения. Обычно робот (манипуляционный или локомоционный) обладает избыточным числом степеней подвижности, что обеспечивает принципиальную возможность построения адаптивного тактического уровня, автоматически перестраивающего работу приводов исполнительного уровня при резком ухудшении характеристик или выходе из строя одного из них.

3. Распознавание объектов и анализ сцен. Как правило, адаптивный робот взаимодействует с трехмерными объектами, которые могут быть произвольно ориентированы и расположены в различных местах зоны действия робота. Сигналы, поступающие от сенсорной системы, для каждого случая расположения объектов будут различны. Для построения системы восприятия может оказаться целесообразным применение принципов построения обучающихся систем распознавания образов, теория которых интенсивно развивается.

4. Система планирования. Процессы обучения в системе планирования обычно тесно связаны с преобразованием информации в модели среды. Это процессы рассматриваются обычно как характерная черта искусственного интеллекта. Один из возможных вариантов процесса обучения в системе планирования может заключаться в следующем. Положим, что робот может по определенным правилам формировать план действий в некоторой ситуации. Кроме того, существует возможность изменения этих правил на основе приобретения опыта. Например, если робот должен составлять последовательно планы для ряда ситуаций, в какой-то степени подобных друг другу, то при наличии механизма обучения составление плана после рассмотрения ряда ситуаций может протекать существенно быстрее, чем это имело место для первоначальной ситуации. Таким образом, робот приобретает некоторый «навык» для выполнения ряда операций, «близких» в каком-то отношении друг к другу.

5. Система связи с внешней средой. Эта система может иметь различные уровни сложности и разную физическую природу сигналов, которые она способна воспринимать от человека или автомата и передавать им. Задача организации диалога с роботом может рассматриваться в рамках общей проблемы построения диалоговых систем.

Здесь также возможна постановка задач адаптации и обучения на различных уровнях, начиная от задач распознавания акустических или визуальных сигналов и кончая задачей понимания смысла отдельных предложений и (или) достаточно сложной графической информации (чертежей, схем и т.д.).

Адаптивные алгоритмы обработки информации, разрабатываемые применительно к различным робототехническим задачам, могут также классифицироваться в соответствии с математическими методами, положенными в основу их формирования. В соответствии с этим признаком адаптивные алгоритмы могут быть разделены на аналитические, логические, структурные и реляционные. Указанные математические подходы также могут быть применены и для формирования описаний внешней среды, необходимых для решения различных задач обработки информации в робототехнической системе.

Аналитические методы применяются при формировании адаптивных алгоритмов функционирования эффекторной и сенсорной подсистем. Логические, структурные и реляционные методы могут применяться для построения адаптивных алгоритмов обработки информации в сенсорной подсистеме и подсистеме планирования.

В некоторых случаях оказывается целесообразным применять адаптивные алгоритмы только для обработки информации на этапе создания алгоритмического и программного обеспечения, т.е. в качестве одного из подходов при формировании автоматизированной системы проектирования этого обеспечения. Целесообразность такого применения методов адаптации (в узком смысле) применительно, например, к сенсорной подсистеме определяется следующими обстоятельствами.

В ряде случаев изменения в проблемной среде робототехнической системы возникают только при изменении номенклатуры транспортируемых или изготавливаемых изделий. Поэтому адаптация имеющегося в системе управления алгоритмического и программного обеспечения к обработке вновь поступающей информации может осуществляться не в ЭВМ нижнего уровня, непосредственно вырабатывающей сигналы управления, а в ЭВМ более высокого уровня, где может производиться необходимая модификация программ (или выбор оптимальных параметров в алгоритмах обработки информации). Один из методов автоматизации этого процесса модификации программного обеспечения может быть основан на применении соответствующих адаптивных алгоритмов. После необходимой коррекции программы с ЭВМ высшего уровня передаются по линии связи на ЭВМ нижнего уровня.