Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект. Современный подход (2-е изд., 2006) (1245267), страница 323
Текст из файла (страница 323)
одометрии — измерения пройденного расстояния. К сожалению, колеса часто сдвигаются и проскальзывают, поэтому результаты одометрии являются точными только для очень коротких расстояний. Еше одной причиной ошибок при определении позиции являются внешние силы, такие как течения, воздействующие на автономные подводные аппараты, и ветры, сбивающие с курса автоматические воздушные транспортные средства. Улучшить эту ситуацию можно с использованием Ъ. инерционных датчиков, таких как гироскопы, но даже они, применяемые без других дополнительных средств, не позволяют исключить неизбежное накопление погрешности определения положения робота. Другие важные аспекты состояния робота контролируются с помощью 'ъ.датчиков усилия и 'ж датчиков вращающего момента.
Без этих датчиков нельзя обойтись, если роботы предназначены для работы с хрупкими объектами или объектами, точная форма и местонахождение которых неизвестны. Представьте себе, что робототехнический манипулятор с максимальным усилием сжатия в одну тонну закручивает в патрон электрическую лампочку. При этом очень трудно предотвратить такую ситуацию, что робот приложит слишком большое усилие и раздавит лампочку. Но датчики усилия позволяют роботу оцгутить, насколько крепко он держит лампочку, а датчики вращаюгцего момента — определить, с каким усилием он ее поворачивает. Хорошие датчики позволяют измерять усилия в трех направлениях переноса и трех направлениях вращения. Исполнительные механизмы Исполнительные механизмы являются теми средствами, с помощью которых роботы передвигаются и изменяют форму своего тела.
Для того чтобы понять основные особенности конструкции исполнительных механизмов, необходимо вначале рассмотреть абстрактные понятия движения и формы, используя концепцию сь степени свободы. Как степень свободы мы будем рассматривать каждое независимое направление, в котором могут передвигаться либо робот, либо один из его 1193 Глава 25.
Робототехника исполнительных механизмов. Например, твердотельный свободно движушийся робот, такой как автономный подводный аппарат, имеет шесть степеней свободы; три из них, (х, у, я), определяют положение робота в пространстве, а три других — его угловую ориентацию по трем осям вращения, известную как качание (уаог), поворот (го)1) и наклон (р!)с)з).
Эти шесть степеней свободы определяют 'в. кинематическое состояние' или св позу робота, 'пк Динамическое состояние робота включает по одному дополнительному измерению для скорости изменения каждого кинематического измерения. Роботы, не являющиеся твердотельными, имеют дополнительные степени свободы внутри самих себя. Например, в руке человека локоть имеет одну степень свободы (может сгибаться в одном направлении), а кисть имеет три степени свободы (может двигаться вверх и вниз, из стороны в сторону, а также вращаться).
Каждый из шарниров робота также имеет 1, 2 или 3 степени свободы. Для перемешения любого объекта, такого как рука, в конкретную точку с конкретной ориентацией необходимо иметь шесть степеней свободы. Рука, показанная на рис. 25.3, а, имеет точно шесть степеней свободы, создаваемых с помощью пяти Ж поворотных шарниров, которые формируют вращательное движение, и одного Ъ.
призматического сочленения, который формирует скользягцее движение. Чтобы убедиться в том, что рука человека в целом имеет больше шести степеней свободы, можно провести простой эксперимент: положите кисть на стол и убедитесь в том, что вы еше имеете возможность поворачивать руку в локте, не меняя положения кисти на столе. Манипуляторами, имеющими больше степеней свободы, чем требуется для перевода конечного исполнительного механизма в целевое положение, проще управлять по сравнению с роботами, имеюшими лишь минимальное количество степеней свободы. б) а) Рис.
25.3. Особенности конструкции манипулятора робота; станфордский манипулятор (Яап(огд Мап)ри(агог) — один из первых манипуляторов робота, в которои используются пять поворотных шарниров (в) и одно призматическое сочленение (р), апо позвояяегп получить в целолг шесть степеней свободы (а); траектория двизкения неголономного гетырехколесного транспортного средства с рулевым управлением от передних колес (б) В мобильных роботах количество степеней свободы не обязательно совпадает с количеством приводимых в действие элементов. Рассмотрим, например, обычный автомобиль: он может передвигаться вперед или назад, а также поворачиваться, что з Термин "кинематика", как и слово "кинематограгр", происходит от греческого корня, обозначающего движение.
1194 Часть Ч1!. Общение, восприятие и осуществление действий соответствуетдвум степеням свободы. В отличие от этого кинематическая конфигурация автомобиля является трехмерной — на открытой плоской поверхности можно легко перевести автомобиль в любую точку (х, у), с любой ориентацией (см. рис. 25.3, б). Таким образом, автомобиль имеет три Ж эффективные степени свободы, но две Ъ. управляемые степени свободы.
Робот называется Ъ. иеголономным, если он имеет больше эффективных степеней свободы, чем управляемых степеней свободы, и голономным, если эти два значения совпадают. Голономные роботы проще в управлении (было бы намного легче припарковать автомобиль, способный двигаться не только вперед и назад, но и в стороны), однако голономные роботы являются также механически более сложными. Большинство манипуляторов роботов являются голономными, а большинство мобильных роботов — неголономными.
В мобильных роботах применяется целый ряд механизмов для перемещения в пространстве, включая колеса, гусеницы и ноги. Роботы с гк дифференциальным приводом оборудованы расположенными с двух сторон независимо активизируемыми колесами (или гусеницами, как в армейском танке). Если колеса, находящиеся с обеих сторон, вращаются с одинаковой скоростью, то робот движется по прямой. Если же они вращаются в противоположных направлениях, то робот поворачивается на месте.
Альтернативный вариант состоит в использовании Ъ. синхронного привода, в котором каждое колесо может вращаться и поворачиваться вокруг вертикальной оси. Применение такой системы привода вполне могло бы привести к хаотическому перемещению, если бы не использовалось такое ограничение, что все пары колес поворачиваются в одном направлении и вращаются с одинаковой скоростью. И дифференциальный, и синхронный приводы являются неголономными.
В некоторых более дорогостоящих роботах используются голономные приводы, которые обычно состоят из трех или большего количества колес, способных поворачиваться и вращаться независимо друг от друга. Ноги, в отличие от колес, могут использоваться для передвижения не по плоской поверхности, а по местности, характеризующейся очень грубым рельефом. Тем не менее на плоских поверхностях ноги как средства передвижения значительно уступают колесам, к тому же задача создания для них механической конструкции является очень сложной. Исследователи в области робототехники предприняли попытки разработать конструкции с самым разным количеством ног, начиная от одной ноги и заканчивая буквально десятками. Были разработаны роботы, оборудованные ногами для ходьбы, бега и даже прыжков (как показано на примере шагающего робота на рис.
25.4, а). Этот робот является 'ек динамически устойчивым; это означает, что он может оставаться в вертикальном положении, только непрерывно двигаясь. Робот, способный оставаться в вертикальном положении, не двигая ногами, называется ек статически устойчивым. Робот является статически устойчивым, если центр его тяжести находится над многоугольником, охваченным его ногами.
В мобильных роботах других типов для передвижения используются иные, чрезвычайно разнообразные механизмы. В летательных аппаратах обычно применяются пропеллеры или турбины. Роботизированные дирижабли держатся в воздухе за счет тепловых эффектов. В автономных подводных транспортных средствах часто используются подруливающие устройства, подобные тем, которые устанавливаются на подводных лодках.
Для того чтобы робот мог функционировать, ему недостаточно быть оборудованным только датчиками и исполнительными механизмами. Полноценный робот дол- 1197 Глава 25. Робототехника В этих вычислениях участвуют данные о предыдущем действии а, и о текущих сенсорных измерениях в„,. Например, если цель заключается в разработке робота, играющего в футбол, то х,.г может представлять местонахождение футбольного мяча относительно робота. Распределение апостериорных вероятностей Р(Х, ~ а,,„а...) — это распределениЕ ВЕРоятностей по всем состояниям, отражающее все, что известно о прошлых результатах сенсорных измерений и об управляющих воздействиях.
Уравнение 25.1 показывает, как рекурсивно оценить это местонахождение, инкрементно развертывая вычисления и включая в этот процесс данные сенсорных измерений (например, изображения с видеокамеры) и команды управления движением робота. Вероятность Р(Х„, ~ж„а,) называется моделью перехода, или 'в. моделью движения, а вероятность Р ( в,., ~ х... ) представляет собой модель восприятия. Локализация 'ш. Локализация — это универсальный пример робототехнического восприятия. Она представляет собой задачу определения того, где что находится. Локализация— одна из наиболее распространенных задач восприятия в робототехнике, поскольку знания о местонахождении объектов и самого действующего субъекта являются основой любого успешного физического взаимодействия.
Например, роботы, относящиеся к типу манипуляторов, должны иметь информацию о местонахождении объектов, которыми они манипулируют. А роботы, передвигающиеся в пространстве, должны определять, где находятся они сами, чтобы прокладывать путь к целевым местонахождениям. Су~цествуют три разновилности задачи локализации с возрастающей сложностью. Если первоначальная поза локализуемого объекта известна, то локализация сводится к задаче ш. отслеживания траектории. Задачи отслеживания траектории характеризуются ограниченной неопределенностью. Более сложной является задача Ъ.глобальной локализации, в которой первоначальное местонахождение объекта полностью неизвестно. Задачи глобальной локализации преобразуются в задачи отслеживания траектории сразу после локализации искомого объекта, но в процессе их решения возникают также такие этапы, когда роботу приходится учитывать очень широкий перечень неопределенных состояний.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
