CC BY
11
УДК 621.532
Домкин К.И., Юркова Е.М.
Брненский технический университет, г. Брно, Чехия Высшая школа экономики, г. Прага, Чехия
ЛИНИИ РАЗВИТИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Робототехнические системы (РС) активно внедряются во многие сферы повседневной жизни - от беспилотных летательных аппаратов до наземных интеллектуальных мобильных робототехнических систем.
Основными назначениями РС являются:
- повышение эффективности и мобильности техники при выполнении оперативных задач в различных условиях;
- уменьшение численности персонала, непосредственно занятого в процессе производства;
- выполнение технических работ в условиях, при которых невозможно или неэффективно использование персонала вследствие физиологических ограничений [1].
В целом РС являются многофункциональными техническими системами, обеспечивающим повышение эффективности применения системы вооружения.
В настоящее время невозможно составить полную классификацию роботизированных систем по их типам или выполняемым ими задачам. Вместо жесткой классификации предлагается выделять подобие их
подсистем или функций. Такой подход к классификации роботизированных систем позволит находить новые типы конструкций РС и расширить набор выполняемых ими функций [2]. Классификации желательно связывать с технологиями производства РС, что может существенно повысить их гибкость и расширить номинал выпускаемой продукции в пределах одной производственной линии или одного предприятия.
Любая существующая РС может быть классифицирована по четырем первичным параметрам:
Операционная среда.
Взаимодействие с пользователем.
Конструкция.
Функционал.
В качестве первой линии развития были взяты пять операционных сред (ОС), в которых могут работать РС (рисунок 1). Также существуют смешанные типы ОС, например одна и та же РС может работать на земле и воде, или в верхних слоях атмосферы и в космосе. Большинство существующих РС могут работать в двух и более ОС.
Рисунок 1- Операционные среды РС
ОС также имеют свои линии развития (например, внутри помещений, под землей и на открытом воздухе) [3]. Кроме того, ОС могут представлять определенный уровень опасности как для человека, так и для РС (например, высокие температуры,
условия загрязненной атмосферы или едкие вещества).
Линия динамизации выглядит следующим образом (рисунок 2):
РС
Манипуляторы
Роботизирован ные платформы
РС-экзоскелеты
Трансформируе мые
Нано- и микро-РС
Животноподоб ные
Рисунок 2- Линия динамизации РС
РС в своем развитии имеют тенденцию к полной автономности. Но даже в самых современных РС нельзя исключить взаимодействие с пользователем
в том или ином виде. По уровню Линия управляемости РС представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Линия управляемости РС
Принимающие решения
Восприимчивые
Способные манипулировать
Рисунок 4 - Линия согласованности РС
К
роме того, РС могут работать в группах состоящей как из подобных, так и совершенно других РС. Такие группы могут быть соединены физически (например, модульная РС, где каждый модуль представляет собой полностью независимую РС), или представлять собой группу, состоящую из отдельных специальных РС, с индивидуальными принципами управления [3]. Также РС могут работать в группе с нероботизированными системами. Уровень автономности и количество РС значительно влияет на тип взаимодействия РС и пользователя.
Технологии для подсистем РС различных физических форм в первую очередь будут определяться ОС .
Линия согласованности РС представлена на рисунке 4.
Ниже дана расшифровка элементов линии согласования
Конфигурируемость - способность РС быть настроенной для выполнения определенной задачи. Может включать в себя физические конфигурации и конфигурации программного обеспечения.
Адаптивность - способность РС адаптироваться к различным видам и условиям работ. Может иметь место как в долгосрочном так и краткосрочном периодах. Может относиться также к подсистемам и надсистемам.
Способность к взаимодействию -Способность взаимодействовать с другими РС или человеком через различные протоколы, пульты оператора, интерактивные диалоги.
Мобильность - возможность РС точно следовать заданной траектории. Возможность движения в резко меняющихся условиях.
Манипулирования - включает возможность захвата объекта.
Восприятия. Восприятие РС окружающей обстановки, распознавание объектов, движения. Восприятие информации с датчиков.
Способность принимать решения - выбор наиболее эффективного способа выполнения задачи в данных условиях.
Способность к обучению - интерактивное выполнение команд.
РС обычно могут выполнять широкий перечень работ. Первичная классификация функционала РС выглядит следующим образом [4,5].
1. Сборка. Соединение деталей, может включать дополнительные операции, такие как сварка, пайка и т.д.
2. Обработка поверхностей. Функция может быть применена как к местности, так и к объектам. Может включать в себя обработку химикатами, уборку, покрытие поверхности материалами, резку и пр.
3. Взаимодействие. Функция включает взаимодействие с РС и человеком. Физический контакт и обмен информацией.
4. Исследование. Исследования полностью или частично неизвестного пространства, включая составление карт, поиск людей, техники.
5. Транспортировка. Функция включает ориентирование или перемещение объектов или людей между заданными положениями на короткие и длинные дистанции.
6. Наблюдение. Функция включает действия в заведомо известном пространстве, сбор параметров
окружающей среды, контроль состояния объектов в заданном пространстве.
7. Захват. Функция удержания и ориентирования объектов, инструментов или людей. Включает в себя идентификацию объекта и алгоритмов его захвата.
8. Манипулирование. Использование захваченного объекта для выполнения своих задач.
Большинство РС сочетает в себе несколько перечисленных функций. С развитием РС перечень их функций будет расширяться и дополняться.
Эффективное функционирование современных технических систем невозможно без обработки большого потока информации и формализованных данных, что определяет тенденцию к их автоматизации и роботизации. Современные РС являются многофункциональными совместимыми и интегрируемыми системами, обладающими способностью к самостоятельному выполнению задач в условиях неопределенности внешней обстановки. Они сохраняют работоспособность в условиях воздействия всевозможных внешних факторов и обеспечивают групповой информационный обмен между РС при выполнении задач в едином оперативном пространстве с возможностью одновременного применения дистанционного, автоматического и автоматизированного управления требуемым количеством роботизированных единиц техники.
Введение управлений в сложные системы не только возможно, но и необходимо. Если рассматривать процессы деградации как обратные к эволюции, то, следовательно, и такими процессами возможно управлять. Необходимость же управления деградационными процессами часто диктуется соображениями безопасности или даже выживания человека (экстремальные условия экологических катастроф, лечебные воздействия на больной организм и т.д. Поэтому сформулируем условия и принципы введения управления в сложные системы [7].
Само понятие управления в сложных системах существенно отличается от понятия управления в классической теории автоматического управления, которое подразумевает компенсацию отклонения выходных координат от заданных значений (управление по отклонению), либо компенсацию возмущающих воздействий (управление по возмущению), либо и того, и другого (комбинированное управление) по принципу обратной связи. При этом критериями управления являются устойчивость системы по Ляпунову, выполнение ограничений на время переходных процессов (быстродействие) и достигаемая точность.
Под управлением в сложных системах будем понимать обеспечение достижения системой некоторого заданного аттрактора. Такой подход не противоречит известным вариантам постановки задачи синтеза управлений в различных системах.
Таким образом, целью управления в сложных системах является достижение системой некоторого заданного состояния. Это желаемое состояние системы определяется заданным аттрактором, а задачей управления является, соответственно, «проведение» системы из произвольного состояния к заданному аттрактору. Основным требованием при этом является неразрушение системы и обеспечение эффективности ее функционирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мобильные робототехнические системы военного назначения / А.А.Ганин, К.И. Домкин, М.Ф. Исха-ков, А.Г. Коробов, Т.В. Литвинова //Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. -С. 99-101.
2. Шпаковский Н.А. Триз. Анализ информации и генерация новых идей. - М.: Форум, 2010 - 264 с.
3. Robotics 2020 Multi-Annual Roadmap Initial Release B 15/01/2014
4. Report: Unmanned Systems Integrated Roadmap FY 2011-2036. Department of Defense, USA, 2011.
5. Домкин, К.И. Тенденции развития наземных мобильных робототехнических систем военного назначения / К.И. Домкин, М.Ф. Исхаков, А.Г. Коробов, // Вопросы радиоэлектроники. - 2015. - №1. - С. 114-121.
6. Strategic Research Agenda for Robotics in Europe / euRobotics 2014-2020 Robotics 2020 Draft 0v4 2 11/10/2013.
7. Юрков, Н.К. Интеллектуальные компьютерные обучающие системы: монография / Н. К. Юрков. -Пенза: Издательство ПензГУ, 2010. - 361 с.
