Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых интеллектуальных информационно-коммуникационных систем и технологий для высококачественного управления очувствленными промышленными роботами, предназначенными для автоматического выполнения сложных технологических операций в условиях неопределенности

Докладчик: Филаретов Владимир Федорович

Должность: Заведующий лабораторией, Заведующий лабораторией ИАПУ ДВО РАН

Цель проекта:
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы робототехники и мехатроники, заключающейся в создании новых подходов и методов построения интеллектуальных информационно-коммуникационных систем и технологий формирования управляющих программ для очувствленных промышленных роботов, которые на основе информации, получаемой от различных сенсоров позволят автоматически формировать программы своих действий с учетом знаний о цели выполнения задания в априорно неизвестной и переменчивой производственной обстановке, а также корректировать свои действия в рамках наперед введенной человеком стратегии действий, приспосабливаясь к изменениям состояний внешней среды и самой робототехнической системы, обеспечивая автоматическое выполнение широкой номенклатуры сложных технологических операций. Целью проекта является создание комплекса научных и программно-технических решений в области разработки интеллектуальных информационно-коммуникационных управляющих систем (ИИКУС) очувствленных промышленных роботов для автоматического выполнения сложных технологических операций в условиях неопределенности.

Основные планируемые результаты проекта:
Главным результатом проекта будет единый комплексный подход к созданию интеллектуальных информационно-коммуникационных систем и технологий формирования управляющих программ для очувствленных промышленных роботов, которые на основе информации от различных сенсоров позволят автоматически формировать программы их действий с учетом знаний о цели выполнения заданий в априорно неизвестной и переменчивой производственной обстановке, приспосабливаясь к изменениям состояний внешней среды и самой робототехнической системы, обеспечивая автоматическое выполнение широкой номенклатуры сложных технологических операций.
Разработка этого подхода позволит осуществить автоматизацию сложных технологических операций: высококачественную сварку протяженных корпусных изделий морских судов в условиях непрерывной пространственной температурной деформации сварных швов и высококачественную обработку широкой номенклатуры нежестких тонкостенных деталей с различной геометрической формой без использования индивидуальной оснастки, на принципиально новом, превышающем мировой, научно-техническом уровне.
Кроме того, при решении указанной комплексной проблемы разработки информационно-коммуникационных и управляющих систем для очувствленных роботов будут получены следующие новые, превышающие мировой уровень, научные результаты, относящиеся к созданию отдельных подсистем и устройств указанных роботов.
1. Разрабатываемый подход к построению интеллектуальной информационно-коммуникационной системы управления промышленными роботами будет основан на автоматической генерации в реальном масштабе времени управляющих программ, построенных на комплексировании априорных знаний о CAD - моделях обрабатываемого изделия и сенсорной информации о текущем состоянии комплекса, полученной с помощью различных сенсоров. Архитектура синтезируемой системы будет предполагать возможность гибкой коррекции управляющих программ роботов на основе знаний, накапливаемых в процессе их работы.
2. Будет разработан метод формирования в реальном масштабе времени геометрической модели пространственного сварного шва в условиях его непрерывной температурной деформации. При этом в качестве сенсорной информации будут использованы специальные оптические системы и контактные датчики, которые будут поставлять информацию об изменениях положений контактных линий и швов свариваемых деталей в абсолютной системе координат.
3. Будет разработан новый подход к активному построению моделей проблемной среды многозвенных роботов, которые будут формироваться с помощью сенсоров и позволят роботам генерировать траекторию и режим движения их рабочих инструментов, а также принимать правильные решения при выполнении технологических операций обработки сложных деталей в условиях неопределенности. Этот подход основан на совмещении двух облаков точек, которые определяют трехмерную модель каждой обрабатываемой детали и ее исходную компьютерную модель для дальнейшего расчета параметров преобразования координат компьютерной модели в систему координат робота. Для этого в проекте будет создан новый эффективный алгоритм преобразования CAD - модели в облако точек высокой плотности, а также эффективный метод совмещения двух облаков точек, позволяющий обеспечивать приемлемую скорость требуемых вычислений и точность преобразований.
4. Будет разработан новый подход к формированию в реальном масштабе времени положения и ориентации выделенных трехмерных объектов с помощью систем технического зрения. Этот подход будет основан на использовании логической кластеризации изображений, позволяющих выделять цветные объекты любых размеров в условиях, близких к пороговой чувствительности систем технического зрения.
5. Будет разработан новый метод создания интеллектуальных систем планирования и коррекции траекторий движения роботов при обработке нежестких деталей в условиях их деформации на основе информации, получаемой от оптических сенсоров. Разработанный метод будет основан на комплексировании данных, получаемых от систем технического зрения, и априорно известной информации о моделях окружающей обстановки и обрабатываемых деталей. При этом коррекцию траекторий движения рабочих инструментов роботов предполагается осуществлять в два этапа. На первом будет обеспечиваться совмещение компьютерной модели и трехмерной модели сдеформированной отсканированной детали, а на втором на основе анализа сечений рассматриваемых моделей будет осуществляться перенос точек траекторий реза с компьютерной модели на трехмерную модель сдеформированной детали. Это позволит полностью учитывать заранее неизвестные деформации деталей для формирования точной траектории движения рабочих инструментов роботов в условиях неопределенности.
6. Будет создан новый подход к построению новой архитектуры интеллектуальной информационно-коммуникационной системы управления очувствленными роботами, позволяющей формировать и корректировать управляющие программы этих роботов прямо в процессе механической обработки пространственных изделия за счет введения дополнительных контуров, формирующих траектории движения рабочих инструментов на основе сенсорной информации, получаемой от оптических и других сенсоров, с учетом априорных знаний о компьютерных моделях обрабатываемых изделий.
7. Будут разработаны методы синтеза информационно-коммуникационных систем формирования входных сигналов роботов, которые в зависимости от расположения обрабатываемых объектов в рабочей зоне роботов позволят формировать такие программные сигналы управления, которые обеспечат движение рабочих инструментов с максимальной скоростью без снижения заданной динамической точности. При этом будет обеспечиваться подход рабочих органов к объектам работ без перерегулирования.
8. Создаваемые новые методы формирования максимально высокой скорости движения рабочих инструментов промышленных роботов по пространственным траекториям будут автоматически учитывать ограничения сигналов по току и входному напряжению всех его исполнительных приводов.
9. Будут созданы методы синтеза высококачественных адаптивных систем управления исполнительного уровня, которые будут гарантировать высокую динамическую точность работы всех приводов роботов в условиях существенных взаимовлияний между всеми их каналами управления при переменных параметров нагрузки всех приводов.
10. Будут созданы эффективные методы и алгоритмы оперативной диагностики и аккомодации основных подсистем очувствленных роботов к возникающим в них дефектам и отклонениям параметров от их номинальных значений, отличающиеся более детальным анализом особенностей функционирования этих подсистем, что даст возможность решать задачу качественной аккомодации в тех случаях, когда применение известных методов становится невозможным.
11. Будет создан действующий макет информационно-коммуникационной системы управления очувствленным роботом.
12. Будут проведены комплексное математическое моделирование и широкомасштабные экспериментальные исследования разработанных в ходе выполнения проекта методов и алгоритмов для различных видов робототехнических устройств, оснащенных различными чувствительными элементами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
По результатам выполнения проекта будет создан теоретический фундамент для проектирования интеллектуальных очувствленных промышленных роботов нового поколения с принципиально новыми свойствами и функциональными возможностями, аналогов которых в мире еще нет. Указанные теоретические результаты будут использованы в предполагаемых инновационных проектах. На базе этих теоретических результатов в последствии должны быть выполнены ОКР по созданию принципиально новых инновационных технологий эффективной роботизированной обработки нежестких деталей различного назначения на нескольких авиационных, судостроительных и приборостроительных заводах Дальнего востока России, с которыми уже начаты соответствующие проработки и исследования. После детальной апробации созданные интеллектуальные информационно-коммуникационными системами предполагается тиражировать на другие заводы России указанного профиля, использующие передовые информационно-коммуникационные робототехнические технологии в условиях частичной или полной неопределенности.
Специальных условий для эффективного использования результатов предстоящих исследований создавать не требуется.
Разрабатываемые в данном проекте информационные технологии и интеллектуальные системы автоматического управления очувствленными промышленными роботами могут быть непосредственно использованы при роботизации сложных технологических операций в различных областях авиастроения, судостроения и приборостроения.
В настоящее время в качестве заказчиков предстоящих исследований выступают крупнейшие на Дальнем Востоке России предприятия: ОАО «Дальприбор», ОАО «Звезда» и АКК «Прогресс».

Текущие результаты проекта:
В ходе реализации первого этапа проекта были получены следующие результаты:
1. Осуществлен обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ. Оценка современного состояния и тенденций развития современных промышленных робототехнических и мехатронных комплексов различного вида и назначения позволяет говорить о расширении областей применения очувствленных роботов с усложнением выполняемых ими технологических задач и связанной с этим активизации исследований, направленных на придание информационно-коммуникационным системам управления ПР адаптивных и интеллектуальных функций, а также способности подстраиваться к изменению условий выполнения сложных технологических работ.
2. Результаты проведенного патентного поиска показали, что все известные информационно-коммуникационные управляющие системы промышленных роботов (ПР) имеют ряд существенных недостатков. Их практическое применение сдерживает дороговизна, сложность реализации или тот факт, что они не удовлетворяют предъявляемым к ним повышенным требованиям, которые диктует современный рынок. Кроме того, разработанные до настоящего времени информационно-управляющие системы ПР предназначались для решения относительно простых задач и в их состав не включались высококачественные системы формирования управляющих программ.
Таким образом, научные и технические решения, закладываемые в создаваемые ИИКУС, для очувствленных ПР являются новыми, обладают принципиально новыми возможностями и показателями качества.
3. Исследования показали, что основным источником сенсорной информации в очувствленных ПР должны являться стереоскопические системы технического зрения (СТЗ), которые способны обеспечить точное формирование моделей постоянно меняющейся сложной окружающей рабочей среды. В дальнейшем полученная информация о моделях может быть использована для точного формирования и коррекции действий ПР при выполнении различных сложных технологических операций. При этом актуальной для повышения уровня автоматизации программирования, вплоть до самообучения роботов, представляется концепция динамического ("активного") построения моделей рабочей среды, когда робот наряду с выполнением задания может формировать дополнительные действия специально для приобретения новых знаний с тем, чтобы синтезировать и уточнять модели рабочей среды. Кроме того, важной проблемой является разработка подходов к построению моделей окружающей обстановки на основе информации, непрерывно поступающей от СТЗ. Эти модели строятся с помощью СТЗ и других сенсоров, позволяя ПР корректировать траектории и режимы движения ПР по формируемым траекториям, а также принимать правильные решения при выполнении поставленных сложных технологических задач в случаях непредвиденного изменения некоторых параметров.
4. При разработке ИИКУС очувствленных ПР важной задачей является автоматическое планирование траекторий движения (управляющих программ) рабочих инструментов роботов с использованием сенсорной информации, для выполнения различных сложных технологических операций в условиях слабоструктурированной и изменчивой рабочей среды реального производства. Выполненные исследования показали, что существующие методы в общем случае пока не позволяют удовлетворительно решать эту задачу.
Основным направлением исследований в области разработки методов формирования траекторий движения очувствленных ПР в неизвестном окружении на основе информации, поступающей от СТЗ, должна являться разработка новых методов, сочетающих в себе точность алгоритмов предварительного планирования траектории на основе трехмерных данных рабочего пространства и возможность последующей коррекции этих траектории, обеспечиваемых алгоритмами непосредственного управления ПР на основе непрерывно обновляемых видеоданных.
5. В настоящее время не существует подходов к высококачественной адаптивной коррекции в реальном масштабе времени траекторий движения рабочих инструментов очувствленных ПР, обеспечивающих выполнение сложных технологических операций в условиях неопределенности.
6. Проведенный анализ показывает, что сейчас задача формирования максимально возможной скорости движения рабочего органа ПР по сложным криволинейным пространственным траекториям с помощью относительно легко реализуемых систем управления еще далека от своего эффективного решения. При этом определяющим в процессе проектирования таких систем управления является учет возможного входа исполнительных электроприводов ММ за ограничения по току и напряжению.
Наиболее перспективными для применения в создаваемой ИИКУС очувствленных промышленных ММ для автоматического выполнения сложных технологических операций в условиях неопределенности являются методы синтеза адаптивных систем управления, способные обеспечить выполнение с их помощью различных технологических операций на предельно возможных скоростях без снижения заданной динамической точности движения и с учетом особенностей реальных технологических процессов.
7. Проведенный анализ показал, что в существующих систем управления ПР в процессе их функционирования часто наблюдаются существенные изменения различных параметров, обусловленные переменным пространственным положением ПР, динамическим взаимовлиянием всех их степеней подвижности и различными массогабаритными характеристиками объектов манипулирования. Поэтому для качественного управления очувствленными ПР в различных режимах их эксплуатации целесообразно разрабатывать и использовать адаптивные системы управления исполнительными приводами.
8. Большой проблемой при функционировании очувствленных ПР в условиях реального производства является обеспечение их работоспособности, которая предполагает наличие специальных информационных систем для диагностирования и оперативного контроля состояния сенсоров, основных элементов и узлов, а также аккомодации (нечувствительности и приспосабливаемости) к дефектам используемых сложных технических систем. Имеющиеся информационные системы указанного назначения, а также подходы и методы, используемые в этих системах, ориентированы на диагностирование и аккомодацию линейных динамических объектов, и в случае диагностирования сенсоров и исполнительных механизмов очувствленных ПР, описываемых существенно нелинейными дифференциальными уравнениями с переменными параметрами, не позволяют точно и своевременно выявлять появляющиеся неисправности во время их эксплуатации. В результате появляется необходимость создания новых высокоэффективных информационных систем диагностирования и аккомодации очувствленных ПР.
9. Традиционные и пока преобладающие типы ПР и мехатронных систем, предназначенные для выполнения типовых технологических операций, действуют по статическим "жестким" (не меняющимся в ходе работы) управляющим программам, которые должны быть заранее составлены и введены оператором. Как ручное обучение, так и "аналитическое" программирование таких роботов обычно связаны с трудоемкими процессами непосредственного или расчетного задания последовательности состояний или движений робота для формирования управляющей программы в виде совокупности команд, определяющей все действия по выполнению им требуемых рабочих операций. Кроме того, введенная жесткая программа не позволяет учесть изменения параметров робота, а также корректировку содержания задания или условий его работы после начала движения. Это приводят к необходимости прерывания работы этого ПР и быстрого его перепрограммирования.
В ходе выполнения первого этапа работ предложена новая архитектура и состав подсистем ИИКУС для очувствленного ПР, которые за счет введения интеллектуальных алгоритмов формирования и коррекции пространственных траектории движения рабочего органа очувствленных ПР, режимов движения, а также алгоритмов обработки сенсорной информации должны обеспечить высокоточное выполнение сложных технологических операций в условиях неопределённости и постоянной изменчивости реальной рабочей среды.
В целом проведенный на первом этапе анализ показал, что определенная в проекте комплексная задача создания новых высокоэффективных ИУС и технологий для высококачественного управления очувствленными ПР, предназначенными для автоматического выполнения сложных технологических операций в условиях существенной неопределенности, является весьма актуальной и требует своего скорейшего теоретического решения и практического освоения. Реализация разрабатываемых систем, имеющих расширенные функциональные возможности и показатели качества, может дать существенный экономический эффект.