Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем, страница 74

Эти операции предполагают функционирование робота в частично недетсрминированной обстановке. Обычно она проявляется в том, что параметры внешней среды, полученные с помощью информационных средств, недостаточны для реализации поставленной цели. Общепринятым подходом является составление упрощенной модели среды и конкретизация ее в процессе выполнения отдельных целенаправленных действий. Если информация, полученная на каждом следующем шаге, увеличивает неопределенность ситуации ~например, возрастает порядок описывающего ее уравнения), то данная стратегия признается неверной и модифицируе'гся. В этом смысле эффективность метода распознавания в значительной мере определяется правильным выбором параметров, описывающих конкретную ситуацию. Часто такие параметры не могут быть определены с помощью информационных средств одной модальности.

Например, в задачах, связанных с замыканием и размыканием кинематической цепи манипулятора, недостаточно зрительной информации, Анализ подобных ситуаций требует использования также данных о текущем положении манипулятора и о силах, возникающих при контакте манипулятора с внешней средой. Напомним, что системы очувствления, одновременно использующие датчики различной модальности, называются мультимодальными. Практическое решение задач 7. Системы тактильного типа распознавания контактных ситуаций в значительной степени определяется возможностями конкретного робота и его системы управления. Так, для отечественного робота РМ-01 с устройством управления «Сфера-36» возможности учета мультимодальной информации весьма ограничены: система управления является позиционной и замкнутой, что нс позволяет непосредственно включать данные о контактных силах в закон управления роботом.

Одним из решений этой проблемы является применение методов ситуационного управления. В этом случае информация о контактных силах используется не непрерывно, а лишь в ситуациях, описанных заранее. Такие ситуации определяются ССО путем постоянного анализа распределения силовых факторов, действующих на захватное устройство манипулятора (или ега рабочий инструмент), в том числе при замыкании кинематической цепи. В случае возникновения одной из подобных ситуаций происходит прерывание текущей программы управления со стороны ССО. Программа управления при этом либо модифицируется, либо заменяется другой, соответствующей изменившейся стратегии движения. При этом в качестве признаков той или иной ситуации используются не численные значения каких-либо параметров: сил, моментов, давлений и др., а соотноп1енйя между ними .

Примером указанного подхода является стратегия управления роботом в такой задаче, как сопряжение цилиндрических объектов. Данную задачу трудно решить с применением обычных алгоритмов позиционного управления, поскольку невозможно составить точную геометрическую модель контактных поверхностей и их взаимного положения, да и сама траектория движения концевого эффектора ие известна заранее, а формируется непосредственно в процессе движения. В то же время при сопряжении цилиндрических объектов наблюдаются некоторые закономерности в распределении силовых факторов, которые могут быть использованы для определения конкретных ситуаций. Так, экспериментальным путем установлено, что в пространстве координат «сила.— перемещение» возникают характерные распределения силовых факторов, не зависящие от размеров объектов.

Это соображение иллюстрирует рис. 7Л4, на котором показаны графики изменения силовых факторов Ех, Г и М, в запястном СМД при осевой сборке типа «вал †втул» в вертикальной плоскости по мере углубления вала в отверстие вдоль оси У. Подобная картина характерна и для других комионенг векторов сил и моментов„измеряемых СМД. Числснные значения переменных могут быть неизвестны, однако между ними существуют достаточно определенные соотношения, анализ которых позволяет выделить ряд опорных точек.

Эти точки, назовем их точками фазового перехода, условно разделяют процесс сопряжения на этапы, или классы, для каждого из которых характерна определенная контактная ситуация из числа возмож- В последнее время для решения задач распознавания ситуаций активно используют методы нечеткой логики, а для обучения системы распознаванию конкретных ситуаций — методы нейронных сетей, 7.5.

Методы распознавания контактных ситуаиий ных: свободный ход (0), движение по фаске (1), одноточечный контакт (И), двухточечный контакт (Ш), заклинивание, или завершение цикла (1У). Представление о фазовых переходах позволяет использовать логические принципы управления. В этом случае создается система решающих правил, образуЮн1ая базу знаний и содержащая описание конкретных ситуаций. Распознавание ситуации осуществляется на основании решающих правил, относящих ситуацию к тому или иному классу (табл. 7.6). Если в процессе сопряжения возникает распределение силовых факторов, соответствующее одному из перечисленных состояний, то оно идентифицируется в соответствии с имеющимся описанием в базе знаний. Стратегия управления роботом предполагает альтернативный выбор алгоритма движения из нескольких типовых алгоритмов, определенных заранее для каждой из возможных ситуаций. Например, если в результате распознавания ситуация идентифицируется как двухточечный контакт, то движение манипулятора должно обеспечивать поворот захваченного объекта относительно отверстия в сторону уменьшения возникшего момента.

Неопределенность в описании ситуаций может быть уточнена с использованием аппарата нечетких множеств и операций нечеткой логики. При этом можно ввести следующие термы: силовой фактор не изменяется, возрастает и «возрастает быстро» (см. компоненту Р; в фазах 1 — 1И). Представленный подход позволяет «интеллектуализировать» сенсорную функцию СМД, т. е. вынести задачу распознавания непосредственно на уровень датчика с помощью встроенного в его конструкцию микропроцессора. г„,н ~1 1~х> Б 9 50 10 0 30 20 10 0 -0,2 -0,4 1,5 1,0 0,5 0 3 б 9 12 ~мм Рис. 7.14. Изменение силовых факторов в процессе сборки цилиндрических деталей: Π— свободный ход; 1 — движение по фаскс; Н вЂ” одноточечный контакт; Ш вЂ” двухточечный контакт; % — завершение цикла 7. Системы тактильного типп Изменение знака и абсолютного значении силовых факторов иа основных фазах сборки Недостатком данного подхода является необходимость априорного описания всех возможных ситуаций и соответствующих им правил, определяющих данный алгоритм управления.

Если число возможных ситуаций велико, заранее составить такое описание весьма сложно. Особенно большие затруднения характерны для случаев, когда при выполнении задачи возникают ситуации, которые заранее не были описаны вовсе. В связи с этим в рамках ситуационного управления разрабатывают способы обучения, позволяющие роботу самостоятельно формировать как признаки ситуаций, в том числе и не заданных заранее экспериментатором, так и способы поведения в новых условиях. Решение поставленной проблемы может быть найдено при использовании для реализации ССО нейронных структур — нсйросстсй. К их достоинствам можно отнести возможность обучения робота.на основе признаков различной сенсорной модальности и .высокая надежность распознавания, особенно для случаев со значительным разбросом значений опредсляемых параметров.

В рассмотренном на рис, 7.14 примере.осевой сборки при построении вектора признаков ~т. е. некоторых дискрипгоров, необходимых для описания классов) можно использовать вариации значений силовых факторов. Тогда функционирование ССО должно заключаться в соотнесении полученного вектора признаков тому или иному классу, характеризующему контактную ситуацию.

Эта процедура основана на использовании сведений о знаке и изменении абсолютных значений силовых факторов Г., Е иМ„. Обучение нейросети обычно предполагает использование учителя, который сначала формирует априорный вектор признаков и соответствующий ему априорный алфавит классов, способных в процессе обучения модифицироваться'. В качестве такого алфавита используют типы контактных ситуаций.

На этапе обучения системе предъявляется некоторый набор признаков„а также класс контактных ситуаций. На основе этой информации ССО составляет описание классов на языке признаков. При традициогпюм подходе эти описания хранятся в базе знаний, в случае же нейросети они пред- 7.5. Методы распознавания контактных ситуаций ставляют собой некоторую матрицу весовых коэффициентов. Процедура предъявления набора признаков повторяется многократно, в результате чего происходит обучение системы; Если характеристики работы системы после обучения оказываются неудовлетворительными (например, время распознавания ситуаций получается недопустимо высоким), то учителю необходимо выделить более существенные признаки и классы.

Не вдаваясь в подробности построения нейросетей, рассмотрим некоторые ключевые понятия. Основу нейросети составляют относительно простые, однотипные элементы (искусствснныс нейроны или ячейки), имитирующие нскоторыс принципы работы нейронов головного мозга (рис. 7.15, а). По аналогии с нервными клетками каждый нейрон характеризуется своим текущим состоянием и может быть возбужденным или заторможенным. Он обладает группой однонаправленных входных связей — синапсов, соединенных с выходами других нейронов, а также имеет аксон, связывающий его с синапсами следующих нейронов, Каждый синапс характеризуется весом и;, который по физическому смыслу эквивалентен электрической проводимости. Синапсы с положительными весами называют возбуждающими, с отрицательными весами — тормозящими. В соответствии с предложенной в 1943 г.

У. Мак Каллоком и У. Питтсом моделью нейрона, его текущее состояние х опредсляют как взвешенную сумму входных сигналов х;: х= ~ хи~ +Ь, где и — число входов нейрона; Ь вЂ” смещение, Выходной сигнал у нейрона является функцией его состояния. у = Г(ю). Эта функция, называемая активационной, может иметь различный вид (рис. 7.15, б — Д). Чаще всего используют нелинейную функцию с насыщением, называемую сигмоидом, важным свойством которого является способность усиливать слабые сигналы в большей степени, чем сильные, что предотвращает насыщение нейрона (см. рис. 7.15, е, Д): ЕМ) = 1 1+е ~ При уменьшении параметра а сигмоид становится более пологим и в прсделе при о = О вырождается в горизонтальную линию на уровне у = 0,5.