CC BY
60
УДК 53.083.8
Дианов В.Н. , Дусеев С.Г.
(ФГБОУ ВПО Московский Государственный Индустриальный Университет, г. Москва)
ГИБРИДНЫЕ МЕТОДЫ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКЕ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Аннотация. Предложены гибридные методы обнаружения скрытых дефектов, основанные на контактной и бесконтактной регистрации сбоев. Дана структура построения робототехнического комплекса, построенная на принципе бессбойности. Приводится анализ тактильных датчиков как потенциальных элементов для повышения надежности роботов.
Ключевые слова: гибридные методы, скрытые дефекты, сбои, тактильные датчики, надежность,
робот.
Развитие элементной базы, усложнение программного обеспечения решаемых задач и ужесточение условий эксплуатации современной аппаратуры (вычислительная техника, датчики, исполнительные механизмы, разнообразные комплексы, построенные на их основе и т.д.) требует совершенствования существующих и поиска новых подходов в повышении ее качества, одним из показателей которого является отсутствие скрытых дефектов. Особенно много проблемных вопросов возникает при создании высококачественной аппаратуры для объектов ракетной, космической и авиационной техники, в частности при обеспечении высоких требований безотказности и долговечности в условиях воздействиях сверхнизких и сверхвысоких (до сотен градусов) температур и высоких уровней нагрузок. Скрытые дефекты в аппаратуре влияют на надежность и проявляются через разнообразные сбои и неисправности [1], [2]
В последнее время понятие "сбой", как и ранее понятие "отказ", все шире получает права "гражданства" в отечественных ГОСТах. Это относится, прежде всего, к военной аппаратуре, а также общепромышленной и специализированной [3] - [7]. Характерно, что одной из важнейших ха-
рактеристик автономной системы навигации в создаваемой сегодня международной космической станции является её устойчивость к сбоям, причем приоритетность задач обеспечения высокой надёжности по параметру сбоев выше приоритетности задач управления объектами, классически стоявших на первом месте по данному параметру.
При разработке аппаратуры, имеющей в своем составе большое (до нескольких десятков тысяч) число потенциальных источников сбоя (многоконтактные соединители, контактирующие устройства больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), печатные проводники, линии связи - интерфейсные шины, шины электропитания и заземления и т.д.), ключевой проблемой кардинального повышения надежности является диагностика сбоев, непосредственно связанная с обнаружением и регистрацией источников сбоев в аппаратуре.
Анализ исследований по данному вопросу показал, что существуют многочисленные методы контроля, направленные не на выявление и устранение источников сбоя, а на результаты их проявления, при этом устраняется не сама причина (в данном случае источник сбоев), а её следствие (т.е. ошибка, вызванная сбоем), оставляя тем самым потенциальную возможность существования в аппаратуре скрытых дефектов.
Одним из перспективных направлений в области фундаментальных исследований признано создание интеллектуальных биомехатронных технологий различного назначения, в том числе с использованием автоматизированных систем [8]. Развитие робототехники вызвало появление различного рода тактильных датчиков, предназначенных для геометрического распознавания предметов окружающего пространства.
Основная тенденция в области создания тактильных датчиков - воспроизведение осязательных свойств человеческой кожи. Этой тенденции в наибольшей степени удовлетворяют тактильные устройства матричного типа, так как каждая ячейка матрицы, представляющая собой микроэлектронный датчик силы (или деформации, момента), дает конкретную информацию, а все вместе позволяют сформировать целостное представление о форме предмета. Конструкторские и технологические разработки тактильных датчиков находятся на начальном этапе развития, до конца не выработаны технические требования и неопределен перечень их характеристик [9].
Современный тактильный датчик для робота должен обладать следующими свойствами: высокой
чувствительностью, способность воспринимать давление (силу), преобразовывать его в электрические сигналы, позволяющие определить форму и материал предмета, т. е. распознавать образы; высоким пространственным разрешением, соответствующим восприимчивости пальцев человека (пространственное разрешение человеческой кожи 2 мм); достаточное для сварочных или сборочных роботов в машиностроении, а также для роботов, применяемых в микрохирургии и микроэлектронике; хорошими линейными характеристиками (допустимы лишь отклонения, компенсируемые при обработке сигнала на ЭВМ); незначительным гистерезисом; устойчивостью к перегрузкам и тяжелым условиям работы; небольшим размерам и массой; невысокой стоимостью. Это может быть обеспечено при использовании в процессе разработки и производства тактильных датчиков микроэлектронной твердотельной технологии, обладающей широкими возможностями миниатюризации и формирования средств обработки сигнала на одном чипе с чувствительным элементом (ЧЭ).
Тактильные датчики на интегральных схемах с применением кремния, кварца и поликристаллической керамики могут обеспечить измерения в диапазоне 0.01-40 Н (т.е. динамический диапазон составляет 4000:1). Особенное распространение получили кремниевые датчики благодаря высокой плотности расположения ячеек в матрице ЧЭ, надежности, низкому гистерезису, небольшой стоимости. Для формирования ЧЭ тактильных датчиков можно использовать гибкую полоску толщиной 200400 мкм. На полиамидной подложке располагаются кремниевые кристаллы, каждый из которых образует интегральную схему. «Островки» кристаллов соединяются золотыми проводниками, нанесенными методом фотолитографии. Датчики с ЧЭ из такой кремниевой ленты обеспечивают измерение «касания» в диапазоне 0-40 000 Па с чувствительностью 67 Па. В более узком диапазоне 5000-7000 Па чувствительность можно повысить до 13Па.
Для выполнения ЧЭ пьезорезистивных тактильных датчиков используются различные материалы, например волокна углерода (графита). Пучки из нескольких тысяч волокон характеризуются высокой прочностью на растяжение, электропроводностью и гибкостью. При соответствующем подборе размеров пучка и подложки элементы могут воспринимать давление от 1 Па до десятков мегапаска- ] лей. Они просты в изготовлении и относительно недороги. Применяется также электропроводный эластомер на основе силиконовых каучуков с наполнителем (графитом, сажей, металлическим мелкодисперсным порошком). Анизотропная электропроводность эластомеров дает возможность варьиро-
вать токопроводящие пути и места расположения контактов между электродами. Недостатки таких ЧЭ являются восприимчивость к электрическим помехам, нелинейность, значительный гистерезис, низкая чувствительность при существенной погрешности, малое быстродействие, довольно низкий порог усталости. Применение волокон углерода и силиконовых эластомеров способствует миниатюризации пьезорезистивных датчиков, делает технологию их изготовления сравнимой с технологией изготовления интегральных схем. Эти датчики рассчитаны на широкий диапазон измерения и допускают значительные перегрузки.
Для изготовления резиновых мембран с рельефом сложной конфигурации и точным геометрическим профилем были использованы кремниевые литейные формочки, выполненные методом травления. Применение таких фасонных мембран позволило значительно улучить точность тактильных датчиков. Пьезорезистивные тактильные датчики с матричными чувствительными элементами разрабатываются различными лабораториями США и Франции. Материалом для ЧЭ пьезоэлектрических датчиков служат полимеры, например поливинилиденфторид-2 (PVF2 или PVDE), обладающие хорошими механическими и химическими свойствами. Поскольку деформация этих материалов под действием давления незначительна, для достижения пространственного разрешения, сравнимого с восприимчивостью пальцев человека, ЧЭ устанавливается на подложку из эластичного полимера. Он может монтироваться как на плоскости, так и на поверхности сложной конфигурации. Диапазон измерения пьезоэлектрических датчиков достаточно широк при допустимых для материалов ЧЭ напряжениях сжатия 80 МПа, растяжения 50 МПа.
В последние время получили развитие тактильные датчики, основанные на изменении оптических свойств материала под действием приложенной к ним силы. Интерес к таким оптическим датчикам объясняется их высокой чувствительностью, стойкостью к электромагнитным полям, нейтральностью к воздействиям окружающей среды и возможностью разнообразить конструктивные решения. В оптическом тактильном датчике фирмы JPL (США) использованы гибкая отражающая мембрана, источник инфракрасного излучения, ЧЭ из 16 ячеек размером 5х5 мм (матрица 4х4 ячеек), два световода между источником и детектором. Интенсивность отраженного света прямо пропорциональна силе, приложенной к гибкой мембране. Однако технология изготовления датчиков такого типа достаточно сложна. Их недостатком являются значительные размеры, особенно при большом числе ячеек в матрице. Тем не менее, разработки в этом направлении продолжаются, например, создан датчик с матрицей 16х16 ячеек, разработан тактильный датчик с матрицей из 256 ячеек (16х16), впрессованных в латунную пластину размером 41х41 мм, что примерно соответствует размеру схвата робота.
Датчик, смонтированный на печатной плате 50.8х63.5 мм, содержит источники света, приемники, формирователи сигнала. Он характеризуется хорошим отношением сигнал/шум, отсутствием гистерезиса. Диапазон измерения 0.01-1 Н. Сканирование матрицы производится при частоте 3 кГц, ограничиваемой только возможностями внешнего десятиразрядного аналого-цифрового преобразователя. Предполагается, что в следующей модели будут включены источник света и приемник на интегральных схемах (вместо дискретных), удвоится плотность расположения ячеек, соответственно возрастет пространственное разрешение. Более быстрый аналого-цифровой преобразователь позволяет увеличивать частоту сканирования до 100 кГц. Датчик, разработанный в Массачусетском технологическом институте, содержит 1190 волокон сечением 0.027 мм кв., организованных в матрицу 35х34. Волокна покрыты полимерной оболочкой толщиной 0.5 мм и белой кремниевой резиной такой же толщины, выполняющего роль деформирующего отражателя.
Фирма British Robotic System (Великобритания) проводит исследования возможности создания тактильных датчиков с получением визуальной информации методом эндоскопии. Чувствительный элемент формируется из разделенных слоем воздуха прозрачной акрилиновой пластинки и упругой мембраны, воспроизводящей силовое воздействие объекта и в зависимости от этого меняющей коэффициент отражения. Отраженный свет фиксируется преобразователем изображения прибора с зарядовой связью. Из-за необходимости использовать пучок оптических волокон и источник света для каждого волокна датчик громоздок и тяжел. Специалисты фирмы предложили один источник света на каждый ряд матрицы и один детектор на каждую колонку, а для сканирования матрицы - пульсирующий источник излучения. Многие исследователи предсказывают широкие возможности применения в тактильных датчиках интегральных оптических схем, один слой которых будет содержать светодиоды, а другой фоторезисторы. Это позволит не только уменьшить размеры датчиков, но и упростить технологию их изготовления.
Фирма Lord Corp (США) создала оптический тактильный датчик, в котором при воздействии объекта на гибкую поверхность ЧЭ из эластомера блокируется поток света от него к детектору. Пространственное разрешение 1.88 мм. Подобные датчики определяют составляющие силы контакта и момента.
Наибольшей простотой конструкции отличаются емкостные тактильные датчики, обладающие высокой чувствительностью, пространственным разрешением и быстродействием, невосприимчивостью к помехам и возможностью установки на пальцах робота любой конструкции. Как правило, емкостной датчик формируется в виде сэндвича из тонких пластинок меди, располагаемых слоями перпендикулярно друг другу и разделенных диэлектриком. Под действием давления изменяется его электрическая емкость. В датчике, предложенном Стэндфордским университетом, использованы пластины меди шириной 2.5 мм. Диэлектриком служит вулканизированные при комнатной температуре кремниевоорганические соединения. Матрица, содержащая 4х4 элемента, измеряет давление до 105 Па. Частота сканирования 100 кГц, входное сопротивление 1-5 МОм.
Фирмой Bell Laboratories, Inc. (США) разработан емкостной тактильный датчик с эластичный диэлектриком из нейлоновой сетки. Чувствительный элемент представляет собой трехслойный пакет, состоящий из разделительных диэлектриков восьми рядов медных пластин (8 пластин шириной 2.5 мм в ряду) и покрытый гибкой перчаткой. Датчик в сборе монтируется на гибкой печатной плате. Ему можно придать форму пальца робота. Верхний предел измеряемого давления 5 кПа. Предлагается также пакет из 32 рядов по 32 пластины, при этом пространственное разрешение ограничивается лишь технологией изготовления медных пластин методом литографии.
На фирме Artificial Intelligence MJT создан один из самых миниатюрных емкостных датчиков. Матрица содержит 8х8 ячеек площадью 12.7х12.7 мм. Они расположены взаимно перпендикулярно на расстоянии 2.5 мм и разделены диэлектриком из силиконовой резины. Датчик крепится на небольшой печатной плате. В зависимости от эластичности диэлектрика он измеряет давление до 10 кПа. При этом измеряются емкость операционного усилителя, амплитуда синусоидальных сигналов, подсчитываемых шестиразрядным преобразователем. Такие датчики будут монтироваться на четырех пальцах
руки робота. Каждый палец обладает четырьмя степенями свободы, запястье - тремя, рука в целом управляется пятью микропроцессорами (один центральный и по одному на каждый палец). В комбинации с другими датчиками, установленными на пальцах и ладони (в частности, пьезоэлектрическими на PVF2), это обеспечивает возможность определения смещения пальцев относительно друг друга.
Причинами сбоев в тактильных датчиках (в частном случае) и в пассивных элементах (в общем случае) современных робототехнических комплексов могут быть как различные внешние воздействия (вибрации, силовые электрические поля, температурные и химические воздействия), так и многочисленные скрытые дефекты аппаратуры, ускоренно приводящие к её деградации. С точки зрения проблем электромагнитной совместимости аппаратуры важно отметить, что сбой представляет собой кратковременное невыполнение требований по электромагнитной изоляции от внешних источников (помех), которые ведут к сбоям. С другой стороны, внутреннее состояние аппаратуры может само быть источником электромагнитных помех. Другими словами, между электромагнитными помехами и сбоями существует взаимная связь.
Проведенные исследования функциональных сбоев в пассивных элементах аппаратуры (контактные датчики - клавиатура, интерфейсный кабель, монитор и др.) показали зависимость эффектов сбоя от спектральной напряженности поля в частотном диапазоне 0,5 - 2 ГГц [10].
Принципиальная особенность новой концепции резкого повышения надежности аппаратуры за счет исключения воздействия на нее сбоев состоит в том, что, в отличие от всех ранее используемых подходов к решению данной проблемы, обнаруживаются и регистрируются не места сбоев, а источники сбоев. В зависимости от принципов формирования и получения информативных признаков, по совокупности которых оценивается сбойное состояние элементов аппаратуры как источников сбоев, предложены различные методы обнаружения и регистрации источников сбоев (рис. 1), имеющие значительный отечественный приоритет [11].
Рис.1. Классификация методов обнаружения и регистрации источников сбоев
Появление новых свойств пассивных элементов аппаратуры в узком (приграничном) слое их промежуточного состояния между «исправно» и «неисправно», в частности, таких как дифференцирование, интегрирование сигналов, позволяет решить вопрос о длительности (продолжительности) сбоев, возникающих за счет скрытых дефектов. Рассмотрим пример использования гибридных методов в системе управления антропоморфным роботом [12].
Для этого в аппаратуру вводятся контактные и бесконтактные датчики сбоев по информативным признакам "дифференцирование", "интегрирование" сигналов, а так же "электромагнитное излучение", реализующие гибридные методы для диагностики скрытых дефектов. При этом в качестве источников сбоев обнаруживаются соединители (разъёмы), интерфейсные шины, шины управления, а так же внутренние и внешние электромагнитные помехи. Технический эффект заключается в возможности проектирования, разработки, создания и эксплуатации бессбойной аппаратуры (по аналогии с безотказной аппаратурой). Одна из проблем современных робототехнических систем заключается в их ограниченных функциональных возможностях, проявляющихся, в частности, в решении узкого класса задач - захват элемента определенной формы и веса или предполагающих непосредственное участие человека.
В свою очередь, расширение функциональных возможностей робота за счет обеспечения точного позиционирования тела робота и его манипуляторов относительно объекта, имеющего любую форму и вес, и улучшения обеспечения захвата и удержания объекта, требуют расширения числа и функционального состава датчиков, включая тактильные, и исполнительных элементов, а также повышения надежности их работы.
Предложенное решение заключается в повышении надежности и качества эксплуатации, которые обеспечиваются обнаружением и регистрацией в работе аппаратуры скрытых дефектов, проявляющихся, в частности, через сбои в работе, а также обнаружением и регистрацией внутренних и внешних электромагнитных помех. Данный результат достигается за счет того, что в процессе эксплуатации обнаруживаются и регистрируются распределенные и локальные источники сбоев в аппаратуре: сиг-
нальные (информационные) шины, шины заземления и электропитания, клеммные колодки (соединители или разъемы), а также датчики и исполнительные механизмы. Эффект достигается вследствие включения в аппаратуру контактных и бесконтактных датчиков сбоя, а также добавлением алгоритмов обработки электрических сигналов с указанных датчиков.
При этом в качестве информативных параметров используются изменения амплитудно-частотных характеристик, повышенное электромагнитное излучение, появления эффекта дифференцирования и интегрирования сигналов.
Задача решается тем, что в систему управления антропоморфным роботом дополнительно введены контактные и бесконтактные датчики сбоев, установленные соответственно на линиях связи и интерфейсных шинах или в непосредственной близости до 1е2 см от линии связи или интерфейсной шины для обнаружения внутренних и внешних электромагнитных помех от источников сбоев в виде соединителей/разъемов, интерфейсных шин, шин управления, заземления и электропитания, при этом система выполнена с возможностью алгоритмической обработки сигналов с упомянутых датчиков сбоев.
Решение задачи определения сбойных состояний и источников сбоев в виде линий связи и соединителей по изменению амплитудно-частотной характеристики, повышенного электромагнитного излучения, дифференцируемости электрических сигналов основано на представлении скрытых дефектов упомянутых фрагментов аппаратуры в форме микрозазоров, микронеровностей, микротрещин, частичных микроразрывов и образовании вследствие этого микрорезонансных контуров и микроемкостей.
Решение задачи по информативному параметру интегрируемости электрических сигналов основано на представлении скрытых дефектов устройства в виде повышенного (в десятки и сотни раз) омического сопротивления, составляющего с последующей включенной микроемкостью (например, сотые доли пикофарад) интегрирующее звено.
На рис. 2 представлена система управления антропоморфным роботом (фрагмент) повышенной надежности. Система содержит систему технического зрения 1, компьютер 2, микроконтроллер 3, приводы робота 4, наружные чувствительные элементы 5 и внутренние чувствительные элементы 6 тактильных датчиков (на рисунке не показаны), а также контактные датчики сбоев (КДС) 7-16, бесконтактные датчики сбоев (БДС) (17-21). В случае двунаправленного действия электрических сигналов КДС установлены в начале (конце) линии связи и наоборот. При однонаправленном действии сигналов КДС устанавливаются в начале (по действию сигнала) линии связи - КДС 7, 11, 15 и в конце - КДС 8, 12, 16. В общем случае данное количество датчиков может быть и большим, что
На схеме рис.2 показаны и бесконтактные датчики сбоев 17-21, установленные в непосредственной близости от диагностируемых элементов или узлов. Количество БДС выбирается, исходя из их чувствительности, протяженности линии связи, и в общем случае может быть большим. На рисунке для простоты выбраны только отдельно взятые связи узлов 4, 5 и 6 с блоком 3. В общем случае
датчики могут устанавливаться на каждую линию связи указанных узлов и блока. Как КДС, так и БДС, могут иметь как автономную, так и централизованную индикацию с использованием блоков 2 и
3.
Предварительно оператором (человеком) производится обучение нейронных сетей (на рис.2 не показаны) на «касание» и «охват» различных объектов с использованием системы технического зрения 1. Управление роботом осуществляется с компьютера 2 через микроконтроллер 3 посредством подачи сигналов на включение приводов 4. При этом качество охвата объекта осуществляет микроконтроллер 3 через наружные (5, рис.2) и внутренние (6, рис.2) чувствительные элементы тактильных датчиков.
Параллельно с работой узлов и блоков 1-6 в режиме «оп-line» работают и датчики КДС (7-16) и БДС (17-21), установленные на линиях связи между узлами и блоками 1-6 и осуществляющие контроль данных линий связи на наличие в них скрытых дефектов, проявляемых в виде сбоев или присутствие внутренних или внешних электромагнитных помех.
Датчики сбоев устанавливаются, например, с помощью клипс. Одновременное срабатывание БДС на различных линиях связи и не срабатывание КДС свидетельствует об источнике сбоев в виде внешней электромагнитной помехи. Одновременное срабатывание КДС и БДС говорит о внутренней электромагнитной помехе. Основное отличие при включении КДС и БДС в аппаратуру заключается в величине фиксируемого сигнала в зависимости от расстояния до источника сбоев.
Рассмотренные методы обнаружения и регистрации источников сбоев решают задачу в режиме "online". Однако в ряде случаев (например, обнаружение скрытых дефектов в виде короткозамкнутых витков в исполнительных элементах - электрических двигателях) целесообразней воспользоваться режимом "offline". Реализуемый метод основан на повышении информативности и безопасности мехатронных систем при воздействии на них кодоимпульсных сигналов и подробно описан в литературе [13], [14].
Авторы выражают благодарность академикам РАН В.К.Левину и Ю.Г.Евтушенко и члену-корреспонденту РАН П.П.Пархоменко за помощь и поддержку в развитии данного направления исследований.
Особую благодарность авторы выражают заведующему отделом ВЦ РАН им. А.А. Дородницына, заслуженному деятелю науки и техники РФ, лауреату Государственной премии СССР и премии Правительства РФ, д.т.н., профессору, вице-адмиралу в отставке Н.А.Северцеву за полезные советы при обсуждении ряда вопросов данной статьи.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 27.002 - 89. "Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения".
2. ГОСТ Р 27.002 - 2009. "Надежность в технике. Термины и определения".
3. ГОСТ РВ 20.57.415. Методы оценки частоты одиночных сбоев ИС.
4. ГОСТ РВ 20.39.302 - 98. "Комплексная система общих технических требований"
5. ГОСТ РВ 20.57.305 - 98. "Комплексная система контроля качества".
6. ГОСТ Р UCO/МЭК 15408 - 2 - 2008. Криптография.
7. ГОСТ Р 50.922 - 96. "Защита информации. Основные термины".
8. Сайт РФФИ: http://grant.rffi.ru.
9. Таланчук П.М., Голубков С. П., В. П. Маслов и др. Сенсоры в контрольно-измерительной технике. Киев. Техника, 1991. -173 с.
10. Гадецкий Н.П., Кравцов К.А., Магда И.И. Функциональные сбои персонального компьютера при воздействии электромагнитных импульсов сверхкороткой длительности. www.studzona.com
11. Дианов В.Н. Концептуальные особенности построения бессбойной аппаратуры //"Автоматика и телемеханика". Институт проблем управления Российской академии наук, 2012, № 7, с.119-138.
12. Дианов В.Н., Люминарская Е.С., Белоусов И.М., Дусеев С.Г., Холина М.Н. Система управления антропоморфным роботом // Патент РФ на полезную модель №124623. Опубл. в бюл.№4, 2013.
13. Евтушенко Ю.Г., Дианов В.Н., Северцев Н.А. Роль и место сбоев в информационной безопасности современных сложных систем. В сб. "Фундаментальные проблемы системной безопасности". Вып.3. М. "Вузовская книга", 2011, 9 с.
14. Дианов В.Н., Гевондян Т.А., Белоусов И.М., Люминарская Е.С. Повышение информативности мехатронных систем при воздействии кодоимпульсных сигналов //"Мехатроника, автоматизация, управление", 2013, № 1, с. 54 - 60.
5
