Вопрос выбора структуры манипуляционной системы

Говоря о выборе структуры манипуляционной системы, необходимо сразу ответить на вопрос – чем отличается робот от устройства автоматики. Устройство автоматики, обычно, предназначено для выполнения однотипных действий, не требующих изменений в системе, адаптивности и т.д. Робот же, напротив, предназначен для работы в заранее неизвестных условиях. Проектировщик не может заранее знать по какой траектории и с какой скоростью необходимо двигаться манипулятору, чтобы сварить две детали. Таким образом, характерное отличие робототехнической системы от устройства автоматики – это универсальность.

При проектировании манипуляционной системы возникает вопрос выбора ее структуры и основных параметров. Очевидно, что ответом на это вопрос должны быть рекомендации, опирающиеся на строго определенные критерии оптимальности, обеспечивающие получение некоторых оптимальных конструкций.

Отвечая на этот вопрос, можно ориентироваться на реализацию роботом некоторого набора конкретных частных двигательных заданий. Однако критерии, включающие подобные частные характеристики или параметры, сразу становятся частными критериями и, как правило, вступают в противоречие с высокой функциональностью, которая является важнейшим признаком роботов. При этом достаточно изменить двигательное задание, и жестко связанный с ним критерий перестает работать, должен быть заменен на другой частный критерий. Когда идет речь о создании систем высокой универсальности, такой путь неплодотворен по той причине, что вообще никакая конструкция манипуляционной системы не может быть оптимальной по отношению к достаточно разнообразным двигательным заданиям.

Однако оказывается возможным другой подход к задачам выбора параметров оптимальных конструкций. Он основан на том, что критерии оптимальности формируются не в связи с конкретным двигательным заданием, а по отношению к тем или иным собственным свойствам непосредственно самой манипуляционной системы. Что касается двигательных заданий, то при таком подходе относительно них делаются самые общие предположения, которые полностью отвечают высокой функциональности системы.

В качестве примера, можно привести робот, предназначенный для дуговой сварки деталей. Разрабатывая конструкцию на основе первого подхода, необходимо рассмотреть совокупность точек, образующую траекторию, вдоль которой должен быть проложен сварочный шов. Далее, необходимо проанализировать скорости, нагрузки, ориентацию сварочного электрода и т.д. отдельно для каждой точки и на основе этих данных разработать конструкцию манипулятора. При этом, нет гарантии, что этот робот сможет проложить сварочный шов для другой траектории.

Основываясь на втором подходе, будем считать все точки рабочего пространства равновероятными в отношении прохождения через них множества различных сварочных швов, выполняемых роботом в течение всего времени его эксплуатации. Будем также считать равновероятными любые ориентации сварочного электрода в каждой из точек рабочего пространства. Эти предположения, очевидно, достаточно хорошо отражают универсальность сварочного робота. Вместе с тем, они касаются исключительно геометрических характеристик множества двигательных заданий и при оценке функциональных качеств манипуляционной системы дают основания воспользоваться гипотезой, опирающейся на ее соответствующее геометрическое свойство – свойство манипулятивности. Манипулятивность манипуляционной системы в некоторой точке рабочего пространства будем измерять свободой движения, какую имеет захват относительно этой точки, или, говоря точнее, тем телесным углом Ψ, в пределах которого он может относительно нее двигаться. Таким образом, совершается переход от качественного описания конкретного свойства манипуляционной системы к его количественной оценке.

Гипотеза о том, что чем этот угол больше, тем манипуляционная система удобнее, ее функциональные качества в рассматриваемой точке пространства выше, представляется совершенно естественной и неоспоримой. Помещая захват последовательно в каждую из точек, достаточно густо заполняющих все рабочее пространство, и каждый раз вычисляя соответствующий телесный угол, количественно оценивающий манипулятивность манипуляционной системы в этих точках, получаем возможность подойти к формированию критерия оптимальности, характеризующего ее манипулятивные качества. Очевидно, он должен выражать среднее значение манипулятивности по всему рабочему пространству и обеспечивать максимум этой оценки.

Такая оценка обладает двумя существенными особенностями. Прежде всего, она носит глобальный характер, охватывая все множество состояний, доступных рассматриваемой манипуляционной системой. Она вместе с тем является статистической оценкой и не отвечает прямо на вопрос: может или не может манипуляционная система выполнить некоторое конкретное двигательное задание? Но зато она характеризует вероятность выполнения конкретных движений и, значит, тем выше следует оценивать манипулятивные свойства манипуляционной системы.

На стадии проектирования манипуляционной системы, когда о характере и объеме двигательных заданий информации практически нет, именно такой ответ, характеризующий глобальное качество манипуляционной системы, представляет наибольшие интерес и важность.

Подобным образом можно формировать критерий оптимальности по отношению к любому другому свойству манипуляционной системы, когда оно является определяющим. Как можно будет заметить в дальнейшем, различные свойства не только взаимно независимы, но могут быть противоречивы; оптимизация по одному из них приводит к заведомо неоптимальным решениям по отношению к другому. Чтобы обоснованно ставить и решать круг задач оптимального проектирования манипуляционных систем, сопоставлять качества различных конструкций, требуется использовать своеобразный паспорт робота, включающий, в частности, глобальные оценки его собственных свойств.

Однако характеристики собственных свойств не ограничиваются значениями глобальных оценок. Оценки собственных свойств для отдельных точек рабочего пространства или отдельных направлений в пространстве позволяют описывать собственные свойства манипуляционных систем картами распределения этих оценок по всему рабочему пространству или по отдельным его зонам. Карты распределений собственных свойств целесообразно использовать, например, в тех случаях, когда решаются задачи, связанные с выбором взаимного расположения робота и обслуживаемого им оборудования. Такие карты называются «картами сервиса».