Systemy sterowania-1b

Układy sterowania robotów przemysłowych

Układ sterowania robota przemysłowego powinien zapewniać współdziałanie wszyst-

kich jego zespołów konstrukcyjnych (układów napędowych, sensorycznych, efektora), pro-
gramowanie pracy i niezawodne wykonanie zaprogramowanych czynności.

Omawiając układy sterowania robotów, naleŜy pamiętać, Ŝe stanowią one tylko jeden

z  podsystemów  zautomatyzowanego  stanowiska,  gniazda  lub  systemu  produkcyjnego,  które
mogą zawierać jeden lub więcej robotów, obrabiarki, przenośniki, pojemniki na części, szafy
sterownicze itp. Na wyŜszym poziomie stanowiska czy systemy mogą być połączone w linie i
sieci produkcyjne obejmujące całą fabrykę w taki sposób, Ŝeby komputer centralny mógł ste-
rować  całym  przebiegiem  produkcji  danego  zakładu.  Stąd  sterowanie  robotów  przemysło-
wych  jest  często  związane  z  szerszym  problemem  współpracy  wielu  połączonych  ze  sobą
maszyn i urządzeń w zautomatyzowanym zakładzie produkcyjnym.

1. Robot jako obiekt sterowania

W teorii regulacji przez sterowanie rozumiemy automatyczną realizację ogółu oddzia-

ływań, ukierunkowanych na podtrzymanie lub polepszenie działania sterowanego obiektu w
odniesieniu do celu sterowania.

Robot jako obiekt sterowania jest skomplikowanym systemem elektromechanicznym,

złoŜonym z wieloczłonowej konstrukcji mechanicznej (mechanizmu roboczego), urządzenia
wykonawczego i elektronicznego układu sterującego (rys. 1). Mechanizm roboczy bezpośred-
nio oddziałuje na obiekt lub środowisko. Urządzenie wykonawcze składa się ze zbioru urzą-
dzeń napędowych z odpowiednimi czujnikami sprzęŜenia zwrotnego oraz elementami
wzmacniającymi, przekształcającymi i korygującymi.

Rys. 1. Schemat funkcjonalny układu wykonawczego sterowania robotem

Zadanie sterowania robotem polega na spowodowaniu takich działań silników wyko-

nawczych, które zapewnią ruch chwytaka urządzenia wykonawczego po zadanym torze z
zadaną dokładnością.

2. Zadania układów sterowania

Omówienie układów sterowania robotów wymaga wyodrębnienia wypełnianych przez

nie zadań sterowania. Są to:

Reagowanie na działalność operatora, a szczególnie:

umoŜliwienie ręcznego sterowania napędami

umoŜliwienie wprowadzenia Ŝądanego programu działania robota, tzn. ustale-
nie kolejności ruchów, ich uwarunkowań czasowych oraz procesowych, a tak-
Ŝ

e współrzędnych punktów charakterystycznych toru ruchu

pamiętanie wprowadzonego programu; zakres zadania tego typu, zwanego da-
lej programowaniem, zaleŜy od występowania i stopnia złoŜoności zadań dal-
szych czterech typów zadań.

Włączanie i wyłączanie napędów dwustanowych, szczególnie dwustanowych zespo-
łów ruchu oraz chwytaków; zadanie to będzie określone jako sterowanie w osiach
dyskretnych.

Sterowanie zespołami ruchu pozycjonowanymi w całym zakresie przemieszczeń

ustalanie kierunków, prędkości i ewentualnie przyspieszeń ruchu, a takŜe ko-
ordynacja pomiędzy ruchami wykonywanymi jednocześnie w dwóch lub wię-
cej osiach; zadanie to będzie określone jako sterowanie w osiach pozycjono-
wanych płynnie lub numerycznie.

Sterowanie i koordynacja podsystemów składowych stanowiska pracy robota obejmu-
jąca:

oczekiwanie na spełnienie warunków koniecznych do zakończenia określone-
go fragmentu pracy robota, np. oczekiwanie na osiągnięcie zadanego połoŜenia
chwytaka

oczekiwanie na osiągnięcie określonych wartości sygnałów stanu obsługiwa-
nego procesu lub maszyny

oczekiwanie przez określony czas

włączanie i wyłączanie współpracujących z robotem maszyn technologicznych
i innych urządzeń. Zadanie to będzie określane jako sterowanie wejść i wyjść
technologicznych. Często tego typu urządzenia mogą być sterowane identycz-
nie jak napędy dwustanowe, np. sygnalizatory dwustanowe, inicjatory czynno-
ś

ci towarzyszących, napędy urządzeń zewnętrznych

Ustalenie kolejności dalszego działania po wykonaniu określonego fragmentu pracy w
zaleŜności  od  wartości  sygnałów  stanu  obsługiwanego  procesu,  obiektu  manipulacji
lub  samej  maszyny  –  wybór  jednego  z  dopuszczalnych  wariantów  dalszego  funkcjo-
nowania.  Zadanie  to  będzie  nazywane  jako  rozgałęzienia  programu  lub  kolejności
dalszego działania.

2.1. Reagowanie na działalność operatora

Programowanie robota przemysłowego polega na nauczaniu go cyklu pracy, jaki ma

później wykonywać. Znaczna część programu jest przeznaczona na opis trajektorii ruchu,
wzdłuŜ której robot ma przemieszczać części lub narzędzia z jednego punktu w przestrzenie
roboczej do drugiego. Ruchy, które robot musi przy tym wykonać, są często nauczane przez

pokazanie mu odpowiednich przemieszczeń i zapisanie ich do pamięci jego układu sterowa-
nia. Jednak są takŜe inne części programu, które nie opisują  ruchu  robota. Te elementy  pro-
gramu  obejmują  interpretację  danych  pochodzących  od  czujników,  uruchamianie  efektora,
którym  jest  chwytak  lub  narzędzie,  wysyłanie  sygnałów  do  innych  elementów  wyposaŜenia
stanowiska pracy, odbieranie danych od innych urządzeń oraz prowadzenie obliczeń.
Podział metod programowania robotów przemysłowych przedstawiono na rys. 2

Rys. 2. Klasyfikacja metod programowania robotów przemysłowych

Zadawanie wartości poszczególnych elementarnych przemieszczeń robota programowanego
ręcznie moŜe być realizowane:

bezpośrednio  w  układzie  robota  przez  przestawienie  mechanicznych  ograniczników
ruchu  (zderzaków)  dla  kaŜdego  nowego  programu  lub  w  przypadku  układu  wielo-
ogranicznikowego,  np.  wielolistwowego  lub  bębnowego  układu  zderzakowego,  dla
kilku programów

pośrednio w układzie sterowania, w którym wartości przemieszczeń zostają nastawio-
ne ręcznie za pomocą zadajników wartości.

W pierwszym przypadku, osiągnięcie wartości granicznej jest sygnalizowane układowi ste-
rowania przez dwustanowy przetwornik pomiarowy przemieszczenia, odpowiednio powiąza-
ny konstrukcyjnie z połoŜeniem ogranicznika ruchu. W drugim przypadku natomiast, układ
sterowania wykorzystuje relację sygnału układu pomiarowego przemieszczeń i sygnałów ge-
nerowanych przez zadajnik wartości.

Układy sterowania programowane ręcznie, zwane czasem układami z programowa-

niem mechanicznym, mogą być stosowane tylko w przypadku prostych robotów wykonują-
cych nieskomplikowane zadania (np. przenoszenie części z jednego miejsca na drugi itp.),
których program zawiera ograniczoną, niewielką liczbę kroków.

Podstawową, najbardziej rozpowszechnioną metodą programowania robotów jest pro-

gramowanie przez nauczanie.

Układy sterowania programowane przez nauczanie wymagają od programisty ręczne-

go lub mechanicznego przemieszczania manipulatora wzdłuŜ Ŝądanego toru i wprowadzania
tego toru do pamięci układu sterowania. W literaturze metoda ta określana jest jako teach-by-
showing lub teach-in. Podczas programowania robota metodą uczenia jest on przemieszczany
wzdłuŜ zadanej trajektorii w celu zapisania jej do pamięci układu sterowania.
Metodę tę moŜna podzielić na:

programowanie dyskretne

programowanie ciągłe

Podczas  programowania  dyskretnego  wykorzystuje  się  sterownik  ręczny  (TP  –  Teach  Pen-
dant)  do  sterowania  silnikami  wykonawczymi  robota  w  celu  mechanicznego  prowadzenia
robota przez szereg punktów w przestrzeni. KaŜdy punkt jest wczytywany do pamięci układu
sterowania  w  celu  późniejszego  odtworzenia  całego  toru  podczas  cyklu  pracy.  Spośród
wszystkich metod programowania robotów programowanie dyskretne jest obecnie najbardziej
rozpowszechnione. Znaczna liczba zastosowań robotów przemysłowych wymaga przemiesz-
czeń manipulatora od punktu do punktu (PTP – Point To Point), które są właśnie programo-
wane  tą  metodą.  Dotyczy  to  na  przykład  takich  zastosowań,  jak  przemieszczanie  części,  za-
kładanie przedmiotów na maszyny technologiczne i ich wyjmowanie po obróbce oraz zgrze-
wanie punktowe.

Programowanie ciągłe (CP – Continuous Path) jest wykorzystywane tam, gdzie są

wymagane płynne ruchy ramienia robota wzdłuŜ toru będącego skomplikowaną krzywą. Naj-
częściej spotykanym przykładem tego rodzaju zastosowania robota jest malowanie natrysko-
we, podczas którego kiść robota, z dołączonym do niej pistoletem do malowania stanowiącym
efektor,  musi  wykonać  płynne,  regularne  ruchy  w  celu  równomiernego  pokrycia  całej  malo-
wanej  powierzchni.  Podczas  programowania  ciągłego  programista  ręcznie  przemieszcza  ra-
mię robota ( i efektor) wzdłuŜ Ŝądanego toru. JeŜeli robot jest zbyt duŜy i cięŜki aby moŜna
go było przemieszczać ręcznie, wykorzystuje się często specjalne urządzenia (fantom) zastę-
pujące rzeczywistego robota. To urządzenie charakteryzuje się taką samą geometrią jak robot,
lecz jest łatwiejsze w manipulowaniu podczas programowania. Przycisk nauczania jest zwy-
kle umieszczony w pobliŜu kiści robota (lub modelu). Przycisk ten jest wciśnięty, gdy są wy-
konywane ruchy manipulatora, które mają stać się częścią programowanego cyklu pracy. Po-
zwala to programiście na wykonanie ramieniem robota dodatkowych ruchów, które nie będą
zawarte w końcowym programie. Cały cykl przemieszczeń jest podzielony  na setki, a nawet
tysiące  pojedynczych,  połoŜonych  blisko  siebie,  punktów  wzdłuŜ  toru.  Punkty  te  są  zapisy-
wane w pamięci układu sterowania.

Układy sterowania programowane metodą uczenia pracują w dwóch trybach: uczenia i

przebiegu programu. Tryb uczenia wykorzystywany jest do zaprogramowania robota, a tryb
przebiegu do wykonania programu.

2.2. Sterowanie w osiach dyskretnych

Grupa urządzeń dwustanowych obejmuje zderzakowo pozycjonowane zespoły ruchu

jednostki  kinematycznej  robota  oraz  większość  stosowanych  obecnie  chwytaków.  Z  punktu
widzenia  układu  sterowania  analogicznie  funkcjonuje  cześć  urządzeń  zewnętrznych,  stano-
wiących  elementy  procesu  obsługiwanego  przez  maszynę  lub  współpracujące  z  nią  przy  jej
obsłudze. Sygnalizatory stanu pracy robota lub obsługiwanego procesu są takŜe urządzeniami
dwustanowymi.

Niektóre urządzenia maszyny manipulacyjnej lub urządzenia technologiczne mogą

być traktowane jako zespoły urządzeń dwustanowych. Typowym przykładem jest numerycz-
nie pozycjonowany zespół ruchu z słownikowym napędem hydraulicznym i trójpołoŜenio-
wym zaworem rozdzielającym, charakteryzujący się trzema stanami pracy: ruchem w dwóch
kierunkach oraz zatrzymaniem (przez odcięcie obu komór siłownika). Dla układu sterowania
zespół ten jest równowaŜny dwóm urządzeniom dwustanowym.

Zadania sterowania związane z pozycjonowaniem zespołów ruchu o tylko dwóch sta-

bilnych połoŜeniach są trywialne i sprowadzają się do przedstawionych juŜ zadań przełącza-
nia urządzeń dwustanowych, Kształtowanie charakterystyk ruchu takich zespołów nie wykra-
cza z reguły poza ograniczanie maksymalnych wartości prędkości i przyspieszeń i dokonywa-

ne jest na ogół w samym układzie napędowym nie powodując wzrostu złoŜoności układu ste-
rowania.

Do sterowania kaŜdego urządzenia dwustanowego wystarcza pojedynczy sygnał bi-

narny:  jedna  jego  wartość  wymusza  stan  włączenia,  druga  –  wyłączenia.  Zmiany  sygnałów
(wyjść) są wymuszane przez tę część układu sterowania, która ustala porządek i rytm kolej-
nych  kroków  działania  robota  zgodnie  z  załoŜeniami  przyjętymi  w  trakcie  programowania.
Sygnały wyjściowe muszą być ponadto wzmacniane energetycznie oraz poddawane dodatko-
wym  zabiegom,  np.  zabezpieczaniu  przed  wprowadzeniem  przez  nie  zakłóceń  z  urządzeń
zewnętrznych do układu (optoizolacja).

2.3. Sterowanie w osiach pozycjonowanych płynnie

Sterowanie zespołami ruchu pozycjonowanymi w całym zakresie przemieszczeń jest

bardziej złoŜone niŜ napędów dwustanowych. Oczywiście układy napędowe tych zespołów
muszą zapewnić moŜliwość osiągania stabilnych połoŜeń w dowolnych punktach całego za-
kresu przemieszczeń. Napędy spełniające to wymaganie są nazywane układami programowej
lub nadąŜnej regulacji połoŜenia. Cechą charakterystyczną większości urządzeń tej klasy jest
moŜliwość takiego kształtowania ruchu, Ŝe prędkość przemieszczania jest funkcją ciągłą róŜ-
nicy połoŜeń: aktualnego i zadanego, przynajmniej w pewnym otoczeniu zerowej wartości tej
róŜnicy.

Ze względu na charakter zmian wartości zadanej wyróŜnia się dwa typy regulacji po-

łoŜenia:

przestawianie

nadąŜanie

Przestawianie (rys. 3) jest typowe dla pozycjonowanych zespołów ruchu jednostek kinema-
tycznych robotów o sterowaniu punktowym i moŜe być realizowane przez serwonapędy prze-
łączalne lub impulsowe. Charakteryzuje się ono wymuszaniem następnej wartości zadanej
dopiero po uzyskaniu z określoną dokładnością poprzedniej wartości zadanej.

Rys. 3. Regulacja połoŜenia w zadaniu przestawiania; 1 – z przeregulowaniem, 2 – bez prze-

regulowania, x

– połoŜenie zadane,

∆

– skok zadanej wartości połoŜenia, x

(t) – zmiany

połoŜenia, tr1, tr2 – czasy regulacji,

– odchyłka statyczna regulacji połoŜenia

W konwencjonalnych zastosowaniach wymaga się (rys. 3), aby dla dowolnych sko-

kowych zmian wartości zadanej

∆

, z zakresu dopuszczalnego, po czasie t, zwanym czasem

regulacji, róŜnica między wartością aktualną x

(t), a zadaną x

nie przekraczała, co do warto-

ci bezwzględnej pewnej ustalonej wartości

, zwanej odchyłką statyczną regulacji połoŜe-

nia.

Ze względu na współpracę maszyny z innymi urządzeniami technologicznymi prze-

stawienia te powinny być realizowane aperiodycznie bez przeregulowania (przebieg 2 na
rys.3). Dla zespołów ruchu maszyn manipulacyjnych zamiast czasu regulacji t, określa się
zwykle dopuszczalną największą prędkość ruchu v

max

„ = x

max

. Jedynie przy zadawaniu skoor-

dynowanych przemieszczeń kilku zespołów jednostki kinematycznej ustala się czas regulacji,
tzw. czas przejścia, który juŜ jednak w fazie programowania jest przeliczany na wartości
prędkości poszczególnych zespołów, zapewniające np. prostoliniowość toru.

NadąŜanie jest charakterystyczne dla zespołów ruchu jednostek kinematycznych ma-

szyn o sterowaniu ciągłym. Występuje takŜe w tych rozwiązaniach robotów, w których jest
moŜliwa do uzyskania korelacja (synchronizacja) poszczególnych ruchów składowych w celu
realizacji przemieszczenia po określonej linii ciągłej (na ogół prostej) miedzy parami kolej-
nych punktów toru. W odróŜnieniu od przestawiania nadąŜanie cechuje się ciągłymi zmiana-
mi zadanej pozycji. Jego parametrami są: dopuszczalna wartość odchyłki dynamicznej

oraz

dopuszczalna prędkość zmian wartości zadanej. Oznacza to, ze dla dowolnych dopuszczal-
nych zamian wartości zadanych róŜnica

(t) między połoŜeniem aktualnym x

(t) a zadanym

(t) (rys. 4) nie moŜe co do wartości bezwzględnej przekraczać wartości

Rys. 4. Regulacja połoŜenia w przypadku nadąŜania: x

(t) – zmiana wartości zadanej połoŜe-

nia, x

(t) – zmiany połoŜenia,

(t) – odchyłka regulacji

PoniewaŜ robot wykonuje ruchy w kilku osiach połączonych ze sobą, uzyskanie zada-

nej drogi w przestrzeni wymaga, aby robot przemieszczał swoje ramiona przez róŜne połoŜe-
nia przegubów. Dla robota o sześciu stopniach swobody kaŜdy punkt toru jest opisany za po-
mocą  sześciu  wartości  współrzędnych  KaŜda  wartość  odpowiada  połoŜeniu  jednego  przegu-
bu.  JeŜeli  myślimy  o  punkcie  w  przestrzeni  w  programie  robota  jako  o  połoŜeniu  efektora,
istnieje zwykle więcej niŜ jeden układ ramion robota umoŜliwiający osiągnięcie tego punktu

Biorąc powyŜsze pod uwagę, naleŜy stwierdzić, Ŝe specyfikacja punktu w przestrzeni

nie definiuje jednoznacznie współrzędnych przegubów robota. Odwrotnie jednak, specyfika-
cja współrzędnych przegubów robota określa tytko jeden punkt w przestrzeni, który odpowia-
da temu zespołowi wartości współrzędnych. Z tego względu sterowanie robota (koordynację
ruchów napędów) moŜna określić jako sekwencję współrzędnych (połoŜeń) przegubów, a nie
jako drogę w przestrzeni.

Zatrzymajmy się nad problemem określenia sekwencji punktów w przestrzeni. Dla

uproszczenia weźmy pod uwagę robota w układzie kartezjańskim, sterowanego w dwóch

osiach i o dwóch punktach moŜliwych do zaprogramowania na kaŜdej osi. Rysunek 5 pokazu-
je cztery moŜliwe do osiągnięcia punkty w prostokątnej przestrzeni roboczej robota.

Rys. 5. Przestrzeń robocza robota kartezjańskiego o dwóch osiach i dwóch punktach

moŜliwych do zaprogramowania na kaŜdej z osi (wielkości a, b, c omówiono w tekście)

Pojawia się pytanie: jaką drogę wybierze robot? Są cztery moŜliwości:

Ruch w obu osiach odbywać się będzie równocześnie w jednakowym czasie i wtedy
efektor będzie przemieszczał się po przekątnej a.

Ruch w obu osiach zaczynać się będzie równocześnie z jednakową prędkością w kaŜ-
dej osi i wtedy efektor będzie przemieszczał się po linii łamanej b- c, której kształt bę-
dzie zaleŜny od drogi w kaŜdej z osi

W danym czasie ruch będzie odbywać się tylko w jednej osi i efektor będzie prze-
mieszczał się po obwodzie prostokąta przez punkt 1,2.

W danym czasie ruch odbywać będzie się tylko w jednej osi i efektor będzie prze-
mieszczał się po obwodzie prostokąta przez punkt 2,1.

Pytanie o to, którą drogę wybierze robot, nie jest wcale trywialne, gdyŜ pomiędzy punktami
1,1 i 2,2 mogą znajdować się przeszkody. Dla programisty znajomość odpowiedzi na to pyta-
nie jest konieczna w celu prawidłowego zaplanowania trajektorii. Niestety nie ma reguły,
która spełniałyby wszystkie układy

W nieskomplikowanych robotach z napędami typu przełączalnego, realizujących za-

danie przestawiania i programowanych najczęściej ręcznie, przemieszczenia mogą odbywać
się w obu osiach równocześnie i z jednakową prędkością (linia łamana b- c na rys. 5) lub po
kolei. Wtedy zwykle jako pierwsze odbywają się przemieszczenia w osiach oznaczonych
niŜszymi numerami. Czyli w przykładzie bardziej prawdopodobna byłaby droga przez punkt
1,2. Jednak w przemyśle nie ma w tym przypadku Ŝadnych standardów.

Roboty z układami sterowania współpracującymi z impulsowymi napędami serwome-

chanizmowymi, programowane metodą uczenia, najczęściej przemieszczają się we wszyst-
kich osiach równocześnie, czyli w podanym przykładzie efektor poruszałby się pomiędzy
punktami 1,1 i 2,2 po przekątnej a.

Proces generowania drogi nazywa się interpolacją. Istnieją róŜne schematy interpola-

cji, z których robot moŜe korzystać przy przemieszczaniu się z jednego punktu do drugiego.
W wielu robotach programista moŜe określić, który schemat interpolacyjny chce stosować.
MoŜliwości są następujące:

interpolacja przegubowa

interpolacja prostoliniowa

interpolacja kołowa

nieregularne gładkie przemieszczenia (programowanie przez ręczne obwiedzenie toru)

W interpolacji przegubowej układ sterowania oblicza jaką drogę musi przebyć kaŜdy

przegub  w  celu  przemieszczenia  robota  z  jednego  punktu  zdefiniowanego  w  programie  do
drugiego.  Następnie  wybiera  przegub,  dla  którego  przemieszczenie  przy  zadanej  prędkości
będzie  trwało  najdłuŜej.  Określa  to  czas  całego  przemieszczenia  realizowanego  dla  kaŜdego
przegubu  Bazując na znajomości czasu ruchu i  wartości przemieszczeń  wymaganych dla in-
nych osi, układ sterowania dzieli ruch na mniejsze inkrementy (elementarne przyrosty drogi)
w ten sposób, Ŝe ruch we wszystkich osiach zaczyna i kończy się równocześnie.
Dla  wielu  robotów  interpolacja  przegubowa  jest  standardową,  procedurą  wykorzystywaną
przez  układ  sterowania.  Oznacza  to,  Ŝe  interpolacja  przegubowa  toru  będzie  wykonywana
dopóki programista nie postanowi skorzystać z innego schematu interpolacyjnego.

W interpolacji prostoliniowej układ sterowania konstruuje hipotetycznie idealny tor

pomiędzy  dwoma  punktami  określonymi  w  programie  (co  odpowiada  prostej  a  na  rys.  5)  i
następnie generuje wewnętrzne punkty blisko tego toru, jak to jest tylko moŜliwe. Tor wyni-
kowy  jest  aproksymacją  linii  prostej.  Dokładność  aproksymacji  zaleŜy  od  liczby  punktów  i
przy większej liczbie punktów adresowalnych aproksymacja jest dokładniejsza.
W przypadku robota kartezjańskiego, który ma tylko przeguby (pary kinematyczne) liniowe,
interpolacja  przegubowa  pokrywa  się  z  interpolacją  prostoliniową.  Dla  innych  robotów  z
kombinacją  przegubów  obrotowych  i  liniowych  (struktura  cylindryczna  i  sferyczna)  lub  z
wszystkimi  przegubami  obrotowymi  (struktura  przegubowa)  interpolacja  prostoliniowa  daje
inny tor niŜ interpolacja przegubowa.

Interpolacja kołowa wymaga od programisty zdefiniowania okręgu w przestrzeni ro-

boczej robota. Wykonywane jest to najczęściej poprzez specyfikację trzech punktów leŜących
na  obwodzie  tego  okręgu.  Układ  sterowania  następnie  tworzy  aproksymacje  tego  okręgu
przez  wybranie  szeregu  punktów  adresowalnych,  leŜących  najbliŜej  zdefiniowanego  okręgu
Ruch  wykonywany  w  rzeczywistości  przez  robota  składa  się  z  krótkich  odcinków  prostoli-
niowych.  Stąd  interpolacja  kołowa  tworzy  liniową  aproksymację  okręgu.  JeŜeli  siatka  punk-
tów adresowalnych jest wystarczająco gęsta, liniowa aproksymacja wygląda tak, jakby to był
okrąg.  Programowanie  interpolacji  kołowej  jest  łatwiejsze  przy  uŜyciu  tekstowych  języków
programowania niŜ technikami uczenia.

W programowaniu przez obwiedzenie toru, gdy programista przemieszcza kiść mani-

pulatora,  aby  nauczyć  go  np.  malowania  natryskowego  lub  spawania  łukowego,  przemiesz-
czenia zwykle składają się z gładkich odcinków ruchu. Te odcinki są czasem w przybliŜeniu
proste, czasem zakrzywione (lecz nie koniecznie kołowo), często określane mianem nieregu-
larnych  gładkich  ruchów  (irregular  smooth  motions).  Proces  interpolacyjny  mający  na  celu
ich  osiągniecie  jest  bardzo  złoŜony.  Aby  wykonać  aproksymację  nieregularnego,  gładkiego
modelu nauczanego przez programistę, naleŜy podzielić trajektorię ruchu na sekwencję blisko
siebie  połoŜonych  punktów,  których  współrzędne  są  zapisywane  do  pamięci  sterowania.  Te
punkty stanowią punkty adresowalne, najbliŜsze trajektorii wykonywanej podczas programo-
wania. Interpolowana trajektoria moŜe składać się z tysięcy punktów, które robot musi odtwo-
rzyć podczas późniejszego wykonywania programu.

2.4. Sterowanie wejść technologicznych

Najprostsze zadania manipulacyjne (np. zadanie typu weź i połóŜ) mogą być wyko-

nywane  w  ustalonym  a  priori  rytmie  czasowym,  tzn.  w  układzie  otwartym,  czyli  procesowo
niezaleŜnie. W pozostałych, o wiele liczniejszych przypadkach, musi istnieć kontrola efektów
oddziaływania  układu  sterowania  na  poszczególne  zespoły  jednostki  kinematycznej  robota
oraz synchronizacja jego pracy z działaniem współpracujących maszyn i  przebiegiem obsłu-
giwanego przezeń procesu.

Decyzja o kontynuowaniu albo zakończeniu aktualnie wymuszonego stanu pracy jest

podejmowana najczęściej na podstawie wartości pojedynczych logicznych sygnałów stanu
samego robota lub stanu procesu czy stanu maszyny.
Nie wszystkie wymagające kontroli skutki działania systemów sterowania są bezpośrednio i
jednoznacznie związane z efektem sterowania. Kontroli mogą wymagać takŜe pewne wielko-
ś

ci, na które robot nie ma bezpośredniego wpływu. W takich sytuacjach oczekiwanie na speł-

nienie warunku moŜe być odrębnym zadaniem układu sterowania. Jego wykonanie następuje
w chwili, gdy warunek - wskazany dla danego stanu pracy robota, czy obsługiwanej maszyny
- osiągnie załoŜoną wartość. Ustalanie numerów oraz wartości sygnałów oczekiwanych z po-
szczególnych stanów pracy robota i maszyny

moŜe być dokonywane w trakcie programowa-

nia.

Zwykle poŜądana jest takŜe zdolność układu sterowania do wstrzymywania pracy ro-

bota  lub  obsługiwanej  maszyny  przez  określony  czas,  np.  w  celu  rozpoczynania  kolejnego
stanu pracy z określonym odstępem czasowym, gwarantującym zakończenie zadań stanu po-
przedniego w  warunkach nie kontrolowania tego  zakończenia. Dla układu sterowania jest to
równieŜ  zadanie  oczekiwania  na  warunek  -  na  sygnał  binarny  potwierdzający  odmierzenie
zaprogramowanie czasu.

2.5. Ustalanie kolejności dalszego działania

Ze względu na sposób wymuszania poszczególnych stanów pracy wyróŜnia się dwa

typy programów d z i a ł a n i a robotów przemysłowych:

programy liniowe, w których obowiązuje stały porządek następowania po sobie po-
szczególnych stanów

programy rozgałęzione, w których o kolejności wykonywania poszczególnych stanów
decydują - przynajmniej w niektórych przypadkach - wartości warunków (najczęściej
binarnych), wynikających np. ze stanu i parametrów procesu.

MoŜliwość rozgałęzienia programu stanowi warunek konieczny obsługi wielu procesów (np.
wymagających zróŜnicowanej obsługi w zaleŜności od kontrolowanego parametru obiektu
manipulacji). W wielu innych przypadkach moŜliwość ta znacznie zmniejsza konieczną liczbę
róŜnych stanów pracy maszyny przez wyodrębnienie jako podprogramów, powtarzających się
wielokrotnie sekwencji stanów dotyczących, np. pobierania obiektów z palety.

Większość układów sterowania robotów przemysłowych umoŜliwia podzielenie pro-

gramu  robota  na  jedną  lub  więcej  gałęzi.  Rozgałęzienie  pozwala  podzielić  program  na  wy-
godne segmenty, które mogą być wykonywane w programie. Gałąź moŜe być traktowana jako
podprogram, który jest wywoływany jeden lub więcej razy podczas wykonywania programu.
Podprogram moŜe być wykonywany albo przez odgałęzienie prowadzące do niego, albo przez
testowanie  sygnałów  wejściowych  dla  rozgałęzienia.  Liczba  zasad  podejmowania  decyzji
zmienia się w zaleŜności od rodzaju sterowania. Jednak większość sterowań pozwala identyfi-
kować  lub  oznaczać  podprogramy  za  pomocą  jednej  z  wcześniej  ustalonych  grup  nazw.
Większość  sterowników  pozwala  uŜytkownikowi  na  określenie,  czy  sygnał  powinien  prze-
rwać  aktualnie wykonywaną  gałąź programu, czy czekać dopóki wykonywanie tej  gałęzi się
nie zakończy. Zdolność przerywania jest wykorzystywana głównie w gałęziach błędów.

Gałąź błędów jest wywoływana, gdy sygnał wejściowy wskazuje, Ŝe nastąpiło nie-

normalne działanie (np. niebezpieczne warunki eksploatacji). W zaleŜności od przypadku i
projektu gałęzi robot albo podejmie działania korygujące, albo przerwie ruch i prześle sygnał
do operatora.

Rozgałęzienia są często stosowane, gdy robot jest programowany dla wykonania

więcej  niŜ  jednego  zadania.  W  tym  przypadku  oddzielne  gałęzie  są  stosowane  do  kaŜdego,
pojedynczego  zadania.  śeby  umoŜliwić  sterowanie  tymi  zadaniami  muszą  być  zastosowane
odpowiednie  środki.  Powszechnie  wykonywane  jest  to  przez  wykorzystanie  zewnętrznych
sygnałów pochodzących od czujników i innych urządzeń.
Bardziej złoŜone wymagania rozgałęzienia programu mogą być - i zwykle są – sprowadzane
do sekwencji prostych rozgałęzień.

3. Klasyfikacja układów sterowania

RóŜnorodność zadań spełnianych, czy wymaganych do spełnienia przez układy stero-

wania robotów wskazuje na duŜą róŜnorodność rozwiązań systemowych i technicznych tych
układów.

Klasyfikację układów sterowania robotów przemysłowych przedstawiono na rys. 6

Rys. 6. Klasyfikacja sterowania robotów przemysłowych

Szczególnie duŜą róŜnorodnością rozwiązań charakteryzują się układy sterowania

opierające  się  na  zasadach  działania  przekaźników.  Są  to  układy  działające  na  sygnałach  o
naturze  mechanicznej,  elektrycznej,  hydrauliczne  bądź  kombinowanej.  W  ogólności  moŜna
wyróŜnić  sterowanie  zaleŜne  da  czasu  i  sterowanie  według  zadanych  czynności.  W  pierw-
szym  przypadku  kolejność  wykonywanych  czynności  jest  określona  programem  czasowym,
np. krzywkami poruszającymi się ze stałą prędkością, zapisem na taśmie magnetycznej bądź
dziurkowanej.  W  drugim  przypadku  nie  korzysta  się  ze  źródła  impulsów  w  funkcji  czasu,  a
czynności  robota  są  uzaleŜnione  od  czynności  w  procesie  manipulacyjnym.  Ten  sposób  ste-
rowania jest stosowany częściej, gdyŜ zapewnia lepsze współdziałanie robota ze współpracu-
jącymi z nim urządzeniami.

Z punktu widzenia sposobu przemieszczania ramion robota, a więc typu programowa-

nia układu sterowania, rozróŜnia się:

sterowanie punktowe, w literaturze określane skrótem PTP (Point To Point)

sterowanie ciągłe w literaturze znane jako CP (Continuous Path).

Według sposobu przetwarzania wielkości sterujących układy sterujące dzieli się na:

analogowe

numeryczne

Według sposobu programowania układy sterowania dzieli się na układy:

o stałym programie

układy programowane

Roboty z układami o stałym programie (tzw. pick and place, czyli weź i połóŜ) wyko-

nują  czynności  według  programu  określonego  samą  konstrukcją  układu  sterującego.  Stałe
programy  moŜna  wymienić  stosownie  do  wymagań  uŜytkownika  robota  przemysłowego.
Wykonywanie czynności robota według zaprogramowanej kolejności zapewnia się przez do-
konanie  zapisu  na  odpowiednim  nośniku  informacji.  Poprzednio  uŜywanymi  nośnikami  in-
formacji  były  bębny  programowe  z  kołkami,  tablice  wtykowe,  pamięci  półprzewodnikowe,
bębny i taśmy magnetyczne.

Najnowocześniejszymi numerycznymi systemami sterowania robotami są układy ste-

rowania  o  strukturze  komputerowej.  Rozwój  technologii  scalonych  monolitycznie  układów
półprzewodnikowych  doprowadził  we  wczesnych  latach  siedemdziesiątych  do  powstania
standardowych bloków  cyfrowych, m.in. mikroprocesorów, pamięci półprzewodnikowych, a
takŜe  innych  elementów  umoŜliwiających  zestawienie  kompletnego  mikrokomputera.  Algo-
rytmy funkcjonowania tych zespołów zaleŜą nie tylko od ich konstrukcji i sposobu połączenia
z systemem, lecz równieŜ od ustaleń dokonanych programowo.

4. Układy sterowania teleoperatorów

Układy sterowania teleoperatorów, w których człowiek stanowi jeden z elementów

procesu sterowania, ze względu na sposób realizacji zamierzeń operatora moŜna sklasyfiko-
wać na:

przyciskowe

kopiujące zadawaną pozycję

kopiujące zadawaną pozycją z siłowym sprzęŜeniem zwrotnym

bioelektryczne.

Sterowanie przyciskowe jest zbliŜone do programowania dyskretnego robotów, gdy

wykorzystuje się sterownik ręczny z przyciskami do uruchamiania silników wykonawczych,
w celu mechanicznego prowadzenia efektora przez szereg punktów w przestrzeni. Przy ste-
rowaniu przyciskowym teleoperatorów ruchy organu roboczego są śledzone przez człowieka,
a korekcji tego ruchu dokonuje się stosownie do istniejącej sytuacji. Wadą jest konieczność
skupienia uwagi na operowaniu właściwymi przyciskami, co sprzyja znuŜeniu operatora.

DuŜo łatwiejsze w obsłudze jest sterowanie kopiujące zadawaną pozycję. Urządze-

niem  sterującym  (zwanym  takŜe  fantomem)  jest  kinematycznie  podobny  układ  ramion,  jaki
ma teleoperator (kopia organu roboczego w pewnej podziałce) lub w nowszych rozwiązaniach
-  joystick  Operator  obserwując  połoŜenie  i  zachowanie  się  części  wykonawczej  „kształtuje"
ramiona  urządzenia  sterującego,  bądź  odpowiednio  manipuluje  joystickiem  (sterowanie  joy-
stickiem jest jednakŜe dla operatora trudniejsze i nie zapewnia duŜej dokładności). Ruchy te
są kopiowane następnie przez układ wykonawczy teleoperatora. Liczba odpowiednich ruchów
elementów  urządzenia  sterującego  jest  równa  liczbie  ruchów  elementów  organu  roboczego
manipulatora, a prędkość kaŜdego z ruchów elementów urządzenia sterującego jest wartością
prędkości jednego napędu roboczego organu wykonawczego ręki. Bez dodatkowych urządzeń
moŜna tu stosować mnemoniczność sterowania manipulatorem, przy czym wektor prędkości

efektora jest proporcjonalny do wektora odchylenia od połoŜenia zerowego urządzenia stero-
wanego ręcznie. Prędkość ruchu przemieszczanych części, ściśle związanych z ruchem ręki,
jest więc proporcjonalna do ruchu elementów urządzenia sterującego. W ten sposób jest moŜ-
liwe bardzo precyzyjne sterowanie makroruchów obiektu za pomocą mikroprzemieszczeń
elementów urządzenia sterującego. Fizyczne obciąŜenie operatora jest bardzo małe.

Sterowanie kopiujące zadawaną pozycję z siłowym sprzęŜeniem zwrotnym jest znacz-

nym  udoskonaleniem.  Informacja  zwrotna  o  siłach  i  momentach  w  układzie  wykonawczym,
powstających  jako  reakcje  od  wykonywanej  pracy,  jest  przekształcana  na  wyczuwane  przez
operatora siły na elementach sterownika. WaŜną zaletą takiego sposobu sterowania jest moŜ-
liwość reagowania na  gwałtowny  wzrost obciąŜenia, uderzenie, błąd podczas sterowania- co
zabezpiecza jednostkę kinematyczną teleoperatora przed złamaniem lub zgięciem.

Układy sterowania, w których do sterowania uŜyte będą prądy bioelektryczne czło-

wieka wykonującego ruchy, są w stadium opracowań teoretycznych i laboratoryjnych.

5. Programowalne sterowniki logiczne PLC

Programowalne sterowniki logiczne PLC (ang. Programmable Logic Controller) są

przeznaczone  głownie  do  sterowania  dwupołoŜeniowych  urządzeń  wykonawczych,  których
stan  jest  opisany  przez  funkcje  logiczne  zmiennych  procesowych,  sygnalizowanych  przez
łączniki  drogowe.  Struktura  sterowników  PLC  umoŜliwia  połączenie  ich  z  systemem  stero-
wania  stanowiska  pracy,  a  programowalność  –  łatwe  przystosowanie  do  kaŜdego  nowego
zadania (rys. 7)

Rys. 7. Struktura sterownika PLC

Sterowanie takie w zastosowaniu do robotów, maszyn i urządzeń technologicznych

zapewnia prawidłowy przebieg ruchów i czynności poprzez włączanie i wyłączanie działania
elementów wykonawczych. Układy te sterując włączaniem i wyłączaniem poszczególnych

członów wykonawczych rozwiązują odpowiednie równania logiczne wprowadzone do ich
pamięci za pomocą programu.
System PLC, którego strukturę pokazano na rys. 7, zawiera:

jednostkę centralną (procesor z układami sterującymi i logicznymi)

centralną pamięć programu, z której system pobiera program sterowania zapisany
przez uŜytkownika

moduły wejściowe i wyjściowe

moduły funkcji dodatkowych.

Jednostka centralna jest połączona z obiektem (robotem, urządzeniem pomocniczym) przez
moduły wejściowe. Do wejść systemu przyłącza się elementy informujące o stanie obiektu
(łączniki drogowe, przyciski ręczne itp.).

Wyjścia systemu łączy się z elementami sterującymi obiektu (stycznikami, zaworami

rozdzielającymi elektropneumatycznymi lub elektrohydraulicznymi itp.) i elementami sygna-
lizującymi stan obiektu (lampki, diody świecące, głośniki itd.). W pamięci programu zestawia
się  instrukcje  (polecenia),  które  są  „przepisem"  łączenia  wejść  i  wyjść.  Taki  „przepis"  jest
równowaŜny równaniom logicznym (zapisanym w algebrze Boole'a), a w technice przekaźni-
kowej  jest  realizowany  przez  połączenia  zestyków  elementów  wejściowych,  przekaźników
pomocniczych  wyjściowych  z  cewkami  przekaźników  wyjściowych.  Wszystkie  połączenia,
tworzące  program  sterowania  w  przekaźnikowej  wersji  układu,  są  zastąpione  dwoma  rodza-
jami instrukcji:

instrukcjami sprawdzania stanu wejścia i łączenia sygnałów wejściowych w odpo-
wiednie warunki

instrukcjami wykonawczymi włączania i wyłączania wyjść.

KaŜdy stan określonego wyjścia musi być zaprogramowany w formie zdania logicz-

nego.  Instrukcje programu sterowania są odczytywane przez jednostkę centralną i w niej de-
kodowane  instrukcje  sprawdzania  zmiennych  wejściowych  i  wyjściowych  są  kierowane  do
jednostki  logicznej,  w  której  informacje  o  wzajemnym  powiązaniu  zmiennych.  Np

jako ilo-

czynu logicznego lub sumy logicznej, powodują wykonanie odpowiednich działań.

Systemy sterowania programowane połączeniowo na ogół pozwalają realizować w

kaŜdej  chwili  wszystkie  zaprogramowane  połączenia,  natomiast  układy  programowane  pa-
mięciowo mogą w danej chwili czasowej wykonywać tylko jedną operacje - wynika to z sze-
regowej zasady pracy. Przejście do wykonywania następnej instrukcji odbywa się niezaleŜnie
od wyniku instrukcji poprzedniej. Po wykonaniu ostatniej instrukcji następuje ponowny (cy-
kliczny)  powrót  do  pierwszej  instrukcji  i  kolejny  obieg  programu.  Ze  względu  na  krótki,  w
porównaniu  z  czasem  trwania  czynności,  procesowy  czas  jednokrotnego  obiegu  wszystkich
instrukcji  zapisanych  w  pamięci  (rzędu  2-10  ms  dla  1000  instrukcji),  proces  sterowany  jest
tak, jak gdyby kolejne (w rzeczywistości szeregowo wykonywane instrukcje) były realizowa-
ne jednocześnie.

Sterowniki PLC mają zwykle budowę modułową i istnieje moŜliwość dobierania okre-

lonej konfiguracji układu w zaleŜności od wymagań uŜytkownika.

Ciągły rozwój mikroelektroniki ugruntowuje zapoczątkowane w końcu lat siedem-

dziesiątych dwa kierunki rozwoju układów PLC. Z jednej strony coraz tańsze elementy umoŜ-
liwiają budowę małych, tanich układów o niewielkiej liczbie wejść i wyjść. Z drugiej strony
rozwój techniki mikroprocesorowej umoŜliwia budowę układów o bardziej złoŜonych funk-
cjach, przypisywanych dotychczas komputerom, przy zachowanej zasadzie programowania w
języku zorientowanym na realizację sterowań logicznych.

Grupa sterowników średnich (o liczbie wejść/wyjść równej od 128 do 512) jest naj-

liczniej reprezentowana na rynkach światowych W grupie tej występuje wyraźnie zróŜnico-
wanie funkcji realizowanych przez sterowniki oraz stopni rozbudowy sprzętu programujące-
go.

Większość układów ogranicza się do podstawowych funkcji, logicznych, czasowych i

licznikowych. Dla tych układów przeznaczone są tzw. programatory walizkowe. Dla sterow-
ników, które obok funkcji podstawowych mogą realizować działania arytmetyczne, mają wej-
ś

cia i wyjęcia CD oraz analogowe, programowaną regulację PID oraz funkcje sterowania sil-

nikiem krokowym, są przeznaczone stanowiska programowania wyposaŜone w monitory
ekranowe oraz urządzenia umoŜliwiające automatyczne sporządzanie dokumentacji technicz-
nej, stanowiska te są budowane z wykorzystaniem mikro- lub minikomputera Bardzo często
te same sterowniki mogą być łączone zamiennie z programatorami walizkowymi lub stanowi-
skami do programowania, umoŜliwiając dobór sprzętu do konkretnego zadania.

Języki programowania zorientowane na realizację sterowań logicznych zawierają ze-

staw  instrukcji  umoŜliwiających  zamianę  na  program  zadania  postawionego  w  formie  sche-
matu ze stykowego lub schematu narysowanego  przy uŜyciu symboli funktorów logicznych.
RóŜnice  są  związane  z  zakresem  funkcji  dodatkowych  realizowanych  przez  sterownik.  Sys-
temy  wyposaŜone  w  proste  programatory  wymagają  tworzenia  programu  w  postaci  mnemo-
nicznych rozkazów opisujących schemat ze stykowy bądź logiczny. Programatory z monito-
rami ekranowymi umoŜliwiają bezpośrednie tworzenie schematu. NiezaleŜnie od stopnia roz-
budowy  programatora  zbiór  podstawowych  zadań  jest  podobny  i  zawiera:  pracę  on-line  w
połączeniu programator - sterownik - obiekt, automatyczną zmianę adresów przy dopisywaniu
i  wybieraniu  rozkazów  z  programu,  bateryjne  podtrzymywanie  zawartości  pamięci  RAM,
wyszukiwaniu  rozkazów  na  podstawie  związanych  z  rozkazem  argumentów,  sygnalizację
stanu wybranych  argumentów przy  pracy on-line, przepisywanie programu na docelowy no-
ś

nik (EPROM, EEROM, EAROM). MoŜliwości dodatkowe, typu wymuszanie stanów

wejść/wyjść, blokowanie fragmentów programu, krokowe uruchamianie programu mają duŜe
znaczenie przy testowaniu programu. Wydruki programu, listy adresowej, schematów ze sty-
kowych, sieci logicznych zwalniają od ręcznego wykonywania dokumentacji.

Nie tylko moŜliwość programowej realizacji układu sterowania decyduje o ciągłym

wzroście zastosowań układów PLC. Konstruktorzy tych układów połoŜyli bowiem nacisk na
to, aby  oprócz prostoty ich stosowania przez projektantów przyzwyczajonych do konwencjo-
nalnych  układów  sterowania  wykorzystać  moŜliwości  dodatkowe,  wynikające  z  komputero-
wej struktury. Niektóre układy mają moŜliwość bezpośredniej współpracy z innymi urządze-
niami  systemu  poprzez  układy  wzajemnych  połączeń,  co  w  przypadku  zastosowania  ich  w
robotyce  ma  bardzo  istotne  znaczenie.  MoŜliwe  jest  teŜ  hierarchiczne  łączenie  sterownika  z
komputerem nadrzędnym. Stwarza to moŜliwość wykorzystania PLC jako najniŜszego ogni-
wa w łańcuchu sterowania, zapewniającego powiązanie pracy robota z komputerowym stero-
waniem wyŜszego poziomu.

6. Układy sterowania numerycznego komputerowego

Jak juŜ wcześniej wspomniano, najnowocześniejszymi numerycznymi systemami ste-

rowania robotów są układy sterowania o strukturze komputerowej CNC (Computer Numerical
Control). Naturalną drogą budowy sterowań CNC stało się wykorzystanie układów mikropro-
cesorowych. Układy te są „otwarte" na nowe funkcje sterowania, które mogą być realizowane
przez odpowiednie oprogramowanie systemowe (software).

6.1. Architektura systemu mikroprocesorowego

Architektura sterowania mikroprocesorowego istotnie rzutuje na efektywność całego

systemu. Powinna uwzględniać nie tylko wymagania funkcjonalne, lecz równieŜ stan obecny

oraz tendencje rozwojowe techniki cyfrowej. Przykładową architekturę mikroprocesorowych
układów sterowania CNC robotów przemysłowych przedstawia rys. 8.
Mikroprocesorowe sterowanie robotów ma następujące zalety:

łatwe i szybkie wprowadzanie, poprawianie, wymienianie i przechowywanie progra-
mów pracy robota.

dla tego samego układu sterowania moŜna zrealizować róŜne warianty sterowań CNC
przy pomocy róŜnych programów (np. róŜne roboty mogą mieć ten sam układ stero-
wania, a realizować mogą róŜne warianty strategii sterowania).

Istnieje wiele moŜliwości wprowadzania i wyprowadzania danych jak przy uŜyciu taśmy ma-
gnetycznej dyskietek, dysku twardego, sieci komputerowych (łatwość komunikowania się z
innymi sterowaniami).

Najskromniejszą konfiguracją układów CNC stosowanych w robotach przemysłowych

jest  welomikroprocesorowa  struktura  mieszana  składająca  się  z  mikroprocesorów  8  i  16-
bitowych (dzisiaj 16- i 32-bitowych). Jest to jak się wydaje, konfiguracja szczególnie poŜąda-
na w wysoce niezawodnych systemach sterowania robotami. Mikroprocesory 8-bitowe mogą
bowiem  pełnić  rolę  układów  sterowania  wyróŜnionymi  elementami  robotów.  Z  kolei  mikro-
procesory  16-  i  32-bitowe  są  wykorzystywane  do  zadań  wymagających  znacznie  większej
mocy  obliczeniowej,  jak  np.:  realizacja  algorytmów  rozpoznawania  obrazów,  wyznaczanie
złoŜonych transformat, sterowanie nadrzędne i optymalizacja. Ponadto utworzenie sieci robo-
tów  za  pośrednictwem  odpowiednich  modułów  aktywnych  umoŜliwia  nadrzędne  sterowanie
procesem produkcyjnym.

Rys. 8. Architektura wielomikroprocesorowych układów sterowania robotów przemysłowych

WaŜną cechą architektury układów mikroprocesorowych jest otwartość i łatwość kon-

figurowania systemów o wymaganych własnościach. Dla najprostszych zastosowań moŜna
tworzyć układy jednoprocesorowe z dodatkowymi modułami aktywnymi i biernymi. Bardziej
złoŜoną konfiguracją jest jednorodna struktura welomikroprocesorowa. W zaleŜności od wy-

maganej niezawodności czy mocy obliczeniowej systemu moŜna zwiększyć liczbę mikropro-
cesorów lub stosować mikroprocesory o odpowiednio duŜej mocy obliczeniowej.

6.2. Parametry i funkcje modułów układu sterowania mikroprocesorowego

Przejdziemy obecnie do krótkiego scharakteryzowania modułów tworzących system

sterowania robotem pokazany na rys. 8 (numeracja omawianych modułów jest zgodna z ry-
sunkiem 8).

Podstawowym elementem architektonicznym układu jest centralna magistrala systemowa,

która realizuje połączenie między modułami (zespołami). Zespoły komunikują się miedzy
sobą za pośrednictwem trzech grup linii sygnałowych tworzących:

szynę adresową, za pośrednictwem której procesor moŜe adresować komórkę pamięci
lub właściwy z układów wejścia lub/i wyjścia

szynę danych, słuŜącą do przesyłania danych między procesorem a pamięcią wraz z
układami wejścia i wyjścia; w mikrokomputerach szyna danych zawiera zwykle 8 lub
16 dwukierunkowych linii sygnałowych,

szynę sterującą, której poszczególne linie wykorzystywane są min. do ustalania kie-
runku przepływu danych, aktywizacji i synchronizacji odpowiedniego zespołu.

6.2.1. Podzespoły układu bazowego

•        Podstawowym  modułem  systemu  jest  8-,  16-  lub  32-bitowy  procesor  centralny  (4)
(rys.6.7), mający własną pamięć operacyjną (pamięć danych i pamięć programu), podstawo-
we układy wejścia/wyjścia (interfejs szeregowy V24) oraz system przerwań  - pełniący  funk-
cje komputera centralnego.  Mimo pełnej zgodności architektonicznej występują róŜnice po-
między modułami procesorów 8-, 16- i 32-bitowych, w szczególności dotyczące maksymalnej
pojemności pamięci typu RAM.
•    Pakiet EPROM + RAM (5) zawiera pamięć danych pojemności n słów 16-bitowych oraz
pamięć programu o pojemności m słów 16-bitowych. SłuŜy on do przechowywania programu
sterującego  oraz  programu  uŜytkownika,  który  zostaje  ułoŜony  i  zapisany  w  trakcie  uczenia
robota. W układzie sterowania pakiety RAM są stosowane opcyjnie w przypadku konieczno-
ś

ci rozszerzania pojemności pamięci uŜytkownika. W szczególności moduły pamięci opera-

cyjnej (zwykle 256 kB) mogą tworzyć pamięć wspólną systemów o duŜej pojemności.
•        Kolejnym  waŜnym  modułem  aktywnym  jest  sterownik  pamięci  dyskowych  (9).  Stanowi
on  specjalizowany   procesor, który  zapewnia   obsługę  dowolnych jednostek pamięci ma-
sowej  lub  pamięci  na  dyskach  elastycznych,  uŜywanych  do  przechowywania  programów
uŜytkownika
• Pakiet kontroli (1) spełnia w układzie sterowania następujące podstawowe funkcje:

kontrole, wartości napięć zasilających, generację przerwań od zaniku zasilania

kontrolę prawidłowego przekazywania sygnałów po liniach magistrali.

konsolę działania jednostek centralnych.

• Jeden pakiet wejść i wyjść dwustanowych (10) zwykle zawiera 16 wejść dwustanowych o
parametrach 24 V DC, 20mA oraz 16 wyjść dwustanowych o parametrach 24 V DC, 0,5 A.
Wejścia i wyjścia są oddzielone galwanicznie od magistrali kasety. W układzie sterowania
CNC pakiety (10) słuŜą do:

połączenia układu sterowania z urządzeniami zewnętrznymi, przekazując informacje o
stanie tych urządzeń i słuŜąc do ich włączenia.

przyjmowania sygnałów z układów sensorycznych (czujników)

przyjmowania sygnałów z panelu operacyjnego i do sterowania lampek sygnalizacyj-
nych umieszczonych na tym panelu.

Liczba uŜytych w układzie sterowania pakietów  we/wy zaleŜy od wymaganej liczby wejść i
wyjść  do  urządzeń  zewnętrznych.  Moduły  wejścia/wyjścia  pozwalają  dostosować  w  łatwy
sposób własności systemu do specyfikacji konkretnego zastosowania.
zawiera kanały wejść sygnałów analogowych
•        Pakiet  wejść  analogowych  (11)  zawiera  kanały  wejść  analogowych  o  zakresie:  -10V..
.+10V.  Wejścia  te  są  oddzielone  galwanicznie  od  magistrali  kasety.  W  układzie  sterowania
pakiet  (11)  moŜe  być  stosowany  takŜe  jako  opcja  do  przyjmowania  sygnałów  z  czujników
analogowych.
•    Pakiet kontrolera sterownika komunikacyjnego (12) zapewnia połączenie układu sterowa-
nia robota z wielodostępną magistralą systemową. Pakiety (12) są stosowane w układzie ste-
rowania CNC jako opcja, w przypadku gdy robot pracuje w elastycznych systemach produk-
cyjnych. Moduł sterownika sieci lokalnej jest przewidywany przede wszystkim do wykorzy-
stania w elastycznych systemach produkcyjnych bądź innych zastosowaniach robota wymaga-
jących, np. inicjacji pracy lub zewnętrznego programowania autonomicznych  stanowisk pro-
dukcyjnych.

6.2.2. Podzespoły specjalizowane

•    Paktu interfejsu  V-24  (2) jest stosowany jako opcja  w  przypadkach konieczności komu-
nikacji  z  urządzeniami  zewnętrznymi  (układ  wizyjny,  komputer  nadrzędny  itp.).  Ma  odpo-
wiednią liczbę kanałów transmisji szeregowej V-24.
•    Stosowany opcyjnie procesor PLC (3) umoŜliwia zintegrowanie układu CNC z układami
dopasowująco-  sterującymi  (UDS),  mającymi  na  celu  przystosowanie  układu  sterowania  do
określonego typu robota i urządzeń pomocniczych. UDS-y stanowią bądź wydzielony sterow-
nik  PLC  (poprzedni  punkt),  bądź  funkcje  UDS  realizuje  specjalizowany  układ  przekaźniko-
wo- stycznikowy.
•    Procesor sterowania ruchami osi serwo (6) przyjmuje od procesora centralnego (4) współ-
rzędne  docelowego  połoŜenia  osi  robota,  oraz  dane  określające  rodzaj  trajektorii  i  prędkości
ruchu.  Po  odpowiednim  przeliczeniu  tych  danych  przesyła  je  do  sterowników  połoŜenia  osi
(13)  oraz  kontroluje  przebieg  ruchu  poprzez  dobieranie  danych  o  bieŜącym  połoŜeniu  stero-
wanego zespołu w osi robota.
•    Interfejs programatora (7) słuŜy do sprzęgnięcia sterownika ręcznego (8) z układem CNC.
Podstawowy zbiór funkcji dostępny z panelu programowania (8) pozwala na zaprogramowa-
nie  większości  zastosowań  robotów.  W  panelu  programatora  znajduje  się  wyświetlacz  alfa-
numeryczny słuŜący do przekazywania treści instrukcji programu uŜytkowego, informowania
operatora o stanie robota, wyświetlanie informacji dodatkowych itp.
•   Sterownik połoŜenia osi (13) słuŜy do sterowania ruchami robota. Sterownik przyjmuje z
procesora  centralnego  (4),  lub  wyspecjalizowanego  procesora  (6)  informacje  o  przyrostach
ruchu,  jaki  ma  być  wykonany  w  jednostce  czasu.  Drugą  informacją  wejściową  jest  sygnał
rzeczywistego  połoŜenia  wału  osi  silnika,  którą  otrzymuje  się  z  układu  pomiarowego  prze-
mieszczenia. Zadaniem sterownika połoŜenia osi jest obliczenie rzeczywistego błędu połoŜe-
nia.  Cyfrowe  wartości  tego  błędu  są  przetwarzane  na  sygnał  analogowy-10V..+  l0V,  który
podawany jest na sterownik mocy (14) jako wartość prędkości zadanej. W układzie sterowania
robota moŜe znajdować się od 3 do 9 sterowników serwonapędów – zaleŜnie od liczby stero-
wanych osi.

7. Programowanie robotów przez nauczanie

Jeśli robot ma wykonywać czynności na konkretnym stanowisku pracy, trzeba utwo-

rzyć program opisujący kolejność czynności, które gwarantują wymagane jego działanie i
współpracujących z nim urządzeń peryferyjnych.

Zakładając, Ŝe ruchy robota są programowane metodą uczenia (programowanie dys-

kretne  PTP),  to  za  pomocą  przycisków  do  naprowadzania  robota  w  wymagane  połoŜenie,
moŜna  uruchomić  ruch  w  płynnie  sterowanych  osiach  w  przestrzeni  roboczej  robota  i  stero-
wać połoŜeniem chwytaka. Przez przyciśniecie przycisku wpisuje się do pamięci układu ste-
rowania odpowiednią instrukcję, której częścią są dane o pozycjach w poszczególnych osiach
robota w danym punkcie. Następnie, przyciskami ruchu w płynnie sterowanych osiach zajmu-
je się kolejną pozycję, ponownie naciska przycisk instrukcyjny pozycji - połoŜenie to ponow-
nie  zostaje  zapamiętane  i  tak  postępując  dalej  moŜna  zaprogramować  wymagany  tor  ruchu
robota.  Między  instrukcjami  pozycyjnymi  mogą  być  odpowiednio  wstawiane  do  programu
inne instrukcje z  grupy  instrukcyjnej .  Zaprogramowane instrukcje są wykonywane  w kolej-
ności, w jakiej zostały wczytane do pamięci. Niektóre instrukcje mogą te kolejność zmienić,
np. SKOK.
Zestaw instrukcji moŜna podzielić na dwie grupy:

instrukcje z argumentem

instrukcje bez argumentu.

Instrukcje z argumentem to takie, które wymagają określenia parametru cyfrowego (argumen-
tu) wraz z zaprogramowaniem instrukcji. Parametr ten zapisuje się w instrukcji. Instrukcje bez
argumentu programuje się tylko przez wciśnięcie przycisku instrukcyjnego.

KaŜda instrukcja ma swój numer (na ogół w przedziale od 10 do 9999). Układ stero-

wania  podczas  programowania  automatycznie  przydziela  numery  kolejnym  instrukcjom  w
postaci  liczb  będących  wielokrotnością  dziesięciu.  W  ten  sposób  jest  pozostawione  miejsce
dla  dodania  kolejnych  instrukcji  bez  potrzeby  zmiany  numeru  juŜ  istniejących.  Instrukcje
programu są uporządkowane w pamięci według swoich numerów w porządku wstępującym.

Podczas wykonywania programu kolejna instrukcja jest przygotowana juŜ w czasie

wykonywania poprzedniej instrukcji, co uwidacznia się zwłaszcza podczas ruchów robota
zaprogramowanych przez kilka instrukcji pozycyjnych.

8. Układy sterowania ruchem człowieka, a układy sterowania robota

Badania biomechaniczne nad strukturą budowy anatomicznej i strukturą rozkładów

napędów mięśniowych dostarczyły wiele danych do konstrukcji manipulatorów i robotów
antropomorficznych, czyli urządzeń o budowie i funkcjach zbliŜonych do budowy człowieka
a szczególnie jego kończyn. Podobnie wyniki współczesnych badań neurofizjologicznych
dostarczają stale nowych danych o działaniu układu motorycznego człowieka.

Budowa coraz to bardziej inteligentnych robotów nowych generacji, poza oczywiście

ciągłym  doskonaleniem  ich  struktury  mechanicznej  oraz  napędów,  będzie  wymagać  przede
wszystkim doskonalenia ich układów sterowania. Jedna droga to coraz szersze wykorzystanie
maszyn  cyfrowych  z  coraz  lepszym,  efektywniejszym  oprogramowaniem.  Inna,  to  szukanie
nowych rozwiązali dla układów sterowania. Taką nową drogą mogą być badania nad rozwo-
jem  manipulatorów  i  robolów  bionicznych.  Bionizacja  układów  sterowania,  wykorzystanie
niektórych  rozwiązań  z  zakresu  sztucznej  inteligencji,  usamodzielnienie  i  zwiększenie  uni-
wersalności robota poprzez wyposaŜenie go w zmysły, a szczególnie najistotniejszy ze zmy-
słów - wzrok, przez konstrukcję, dobrych, wydajnych układów rozpoznających, powinny być
drogą rozwoju dla nowych generacji robotów.

Badania nad wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych do konstrukcji układów

sterowania robotami, szczególnie dzięki ogromnemu rozwojowi techniki mikroprocesorowej,

wydają się stwarzać moŜliwość zbudowania układów o szerszych niŜ obecnie moŜliwościach
oraz większej skuteczności działania.

Powiązania biologii i techniki stworzyły nowe moŜliwości rozwoju naszej wiedzy o

organizmach Ŝywych, ale równocześnie bionika, jako nauka zajmująca się badaniem budowy
oraz  zasadami  działania  organizmów  Ŝywych  w  celu  wykorzystania  tych  wyników  do  kon-
strukcji urządzeń technicznych, stworzyła zupełnie nowe kierunki badań, zasugerowała nowe,
efektywne  rozwiązania.  Układ  sterowania  ruchem  zwierząt  wyŜszych  jest  modelem  systemu
sterowania  ruchem  dla  robotów  i  manipulatorów.  Pomimo  licznych  kontrowersji  wiemy  juŜ
dzisiaj  sporo  o  jego  strukturze  i  mamy  pewne  zasady  działania.  Rezultaty  bardzo  licznych
badań nad ośrodkami nerwowymi związanymi ze sterowaniem ruchem doprowadziły do usta-
lenia poglądów na temat ich lokalizacji i powiązań, pozostały natomiast liczne niejasności na
temat  funkcji  poszczególnych  ośrodków.  Obecnie  przyjmuje  się,  Ŝe  jest  to  struktura  hierar-
chiczna,  w  której  zazwyczaj  wyróŜnia  się  pięć  poziomów  hierarchii  z  oddziaływaniami  po-
między  sąsiadującymi  poziomami  oraz  z licznymi    bezpośrednimi    połączeniami    nawet  po-
przez kilka poziomów, co ma istotny wpływ na dokładność i szybkość przepływu informacji.

Pierwszym poziomem jest ośrodek nadrzędny - kora mózgowa będąca układem aso-

cjacyjno-decyzyjnym, w którym następuje ustalenie:

celu ruchu w formie rozkazu uruchamiającego specjalny program wykonywa-
nia poszczególnych faz ruchu

kryterium optymalności, które ustala m.in. sposób wykonania ruchu

ograniczeń związanych z oceną istniejącej sytuacji

Drugi poziom hierarchii to zespół jąder podkorowych będący ośrodkiem, programującym,
koordynującym i generującym stereotypy ruchowe.

Poziom trzeci to zespół ośrodków nadrdzeniowych głównie w pniu mózgu oraz móŜ-

dŜek tworzący ośrodek koordynacyjno-decyzyjny zapewniający właściwą dynamikę ruchu.

Poziom czwarty tworzy rdzeń kręgowy wraz z nerwami obwodowymi odpowiadają-

cymi za właściwą współpracę odpowiednich grup mięśniowych.

Na poziomie piątym- najniŜszym szczeblu - znajdują się zespoły pętli obwodowo-

rdzeniowych obejmujących neurony znajdujące się w rdzeniu, mięśnie oraz odpowiednie
czujniki połoŜenia, szybkości i sil zapewniające optymalny lub prawie optymalny skurcz mię-
ś

nia. NaleŜy jednak pamiętać, ze podział ten nie jest stały, a funkcje poszczególnych szczebli

często uzupełniają się bądź nakładają.

Jeśli spojrzymy na ten schemat budowy i działania układu sterowania ruchem u zwie-

rząt o wyŜszym stadium rozwoju i porównamy z typowymi problemami i zadaniami stojący-
mi przed konstruktorami analogicznych urządzeń technicznych, jakŜe podobne mamy rozwią-
zania, z jak wielu rzeczy juŜ dzisiaj korzystamy i jak wiele jeszcze moŜna z duŜym poŜytkiem
zaadaptować. Analiza ruchów realizowanych przez organizmy Ŝywe pozwala na wydzielenie
dwóch typów zadań ruchowych.

Pierwszy typ to ruchy stereotypowe, w których odpowiedni sygnał (np. nazwa . ru-

chu),  powoduje  uruchomienie  odpowiedniego  zestawu  sygnałów  dających  w  wyniku  Ŝądaną
trajektorię  ruchu.  Z  badań  neurofizjologicznych  wiadomo,  Ŝe  dzięki  ogromnej  liczbie  połą-
czeń  tworzących  złoŜone  pętle,  w  układach  piramidowych  i  pozapirarnidowych  (są  to  drogi
połączeń  między  nadrzędnymi  a  niŜszymi  ośrodkami)  jest  zakodowanych  wiele  róŜnych  ze-
stawów ruchów i stereotypów przestrzenno-czasowych. Szczególnie istotne sugestie dotyczą-
ce  koordynacji  czasowo-przestrzennej  i  omówionej  w  dalszej  części  koncepcji  sterowania
dwustanowego zawiera analiza roli móŜdŜku.

Typ drugi, to ruchy zmienne nadrzędnie korygowane na bieŜąco, na ogól pod kontrola

wzroku i oceną przebiegu ruchu przez układ asocjacyjno-decyzyjny. Ruchy te mogą takŜe
zawierać pewne stereotypowe składowe jako elementy do budowy ruchów złoŜonych. Sygna-
ły sterujące wypracowane na wyŜszych szczeblach hierarchii docierają drogami piramidowy-

mi i pozapiramidowymi do rdzenia, ustawiając parametry i uruchamiając pętle obwodowo-
rdzeniowe tworzące układy sprzęŜenia zwrotnego sterujące skurczem odpowiednich mięśni.

PowyŜsze rozwaŜania i koncepcje nie pozwalają jeszcze na skonstruowanie jedno-

znacznych modeli układu ruchowego, wymagają bowiem takiego sprecyzowania zadania, aby
moŜna je było sformalizować i przedstawić w postaci równań obiektu oraz algorytmów prze-
twarzania podejmowanych decyzji na odpowiednie sygnały sterowania tymi obiektami.

Nawet dla tak stosunkowo prostego układu, jakim jest dwuczłonowy robot o 4 stop-

niach swobody, równania opisujące ruch są bardzo trudne do rozwiązania. Intuicja wskazuje,
Ŝ

e problem optymalności ruchu w organizmach Ŝywych jest bardzo istotny i Ŝe został on

przez  naturę  rozwiązany  w  stopniu  co  najmniej  zadowalającym.  W  odniesieniu  do  robotów
problem ten był przez długie lata praktycznie zupełnie pomijany i większość algorytmów ste-
rowania  (szczególnie  w  przypadku  robotów  przemysłowych)  uwzględnia  go  w  bardzo  nie-
wielkim  stopniu.  Jest  rzeczą  zastanawiającą,  Ŝe  większość  istniejących  robotów  przemysło-
wych  ma  konstrukcję  mechaniczną,  która  mniej  lub  bardziej  przypomina  rękę,  natomiast
układy sterowania tylko w znikomym stopniu wykorzystują zasady działania systemu nerwo-
wego. Typowa struktura układu sterowania ogranicza się zazwyczaj do programatora ruchów
narzucającego  kolejne  etapy  ruchu,  bądź  bardzo  rzadko  przewiduje  się  wykorzystanie  omó-
wionych  układów  sztucznej  inteligencji,  mogących  podejmować  decyzje.  Jednak  pomiędzy
poziomom  programatora  a  poziomem  układów  sztucznej  inteligencji  mamy  wyraźną  lukę
funkcjonalną, którą powinno wypełnić postawienie i rozwiązanie problemu optymalizacji.

Jedną z koncepcji układu sterowania moŜe być zastąpieni: układu cyfrowego przez

warstwową sieć zbudowaną z elementów neuropodobnych, a takŜe zastosowanie sterowania
opartego na teorii zbiorów rozmytych (Fuzzy Logic).

9. Sieci neuronowe jako układy sterowania ruchem robotów

9.1. Budowa sieci neuronowych

Jednym z moŜliwych bionicznych rozwiązań układów sterowania robota jest zastąpie-

nie maszyny cyfrowej sterującej członami wykonawczymi przez sztuczną sieć neuronową
zbudowaną z elementów neuropodobnych (perceptronów)

Komórka nerwowa (neuron) jest układem bardzo złoŜonym. Najczęściej przedstawia

się ją jako komórkę z wystającymi kilkoma dendrytami i aksonem zakończonym kilkoma
synapsami (rys. 9)

Rys. 9. Uproszczony schemat budowy neuronu; 1 – cytoplazma komórki, 2 – jądro

komórkowe, 3 – akson, 4 – dendryt, 5 - synapsa

W rzeczywistości komórka nerwowa ma kilka tysięcy dendrytów, a z innymi neuro-

nami kontaktuje się poprzez miliony połączeń. Powierzchnia neuronu nie jest zwykłą gładką
błoną. Znajduje się na mej około miliona tzw. sodowo-potasowych pomp adenozynotrójfosfa-
tazowych, odpowiedzialnych za utrzymanie na wewnętrznej stronie błony potencjału -70mV

względem otoczenia. Odbywa się to poprzez wypompowywanie jonów sodu z wnętrza ko-
mórki, a wpuszczanie jonów potasu. Proces ten musi przebiegać ciągle, gdyŜ błona komór-
kowa jest nieszczelna i nie zapobiega zjawisku odwrotnemu prowadzącemu do zniwelowania
tej róŜnicy potencjałów.

Bodziec dostarczony do komórki powoduje zmianę jej stanu elektrycznego przebiega-

jącą następnie wzdłuŜ aksonu. Dzieje się to jednak nie na drodze przewodnictwa elektryczne-
go,  a  poprzez  ekspansje  lokalnych  zmian  stanu  elektrycznego  błony  komórkowej.  Zmiany
potencjału  błony  są  skutkiem  jej  zmiennej  przepuszczalności  dla  jonów  sodowych  i  potaso-
wych. Po przejściu impulsu błona powraca do normalnego stanu. Dojście impulsu do synapsy
(połączenia  akson  -  dendryt  lub  dendryt  z  inną  komórką)  powoduje  uwolnienie  z  komórki
pobudzającej neurotransmitera, który z kolei jest przyczyną pobudzenia komórki odbierającej
impuls.  Neurotransmiter  to  związek  chemiczny  przekazujący  informację  miedzy  neuronami.
Pobudzenie neuronu odbierającego sygnał jest rym większe, im więcej neurotransmitera wy-
dzieli się z kolbki synaptycznej komórki pobudzającej. Łączne pobudzenie komórki nerwowej
jest  sumą  pobudzeń  na  wszystkich  połączeniach  synaptycznych.  Fakt  ten  ma  bardzo  duŜe
znaczenie  przy  tworzeniu  modelu  neuronu  i  jest  podstawą  teorii  sztucznych  sieci  neurono-
wych.

W praktyce budowy sztucznych sieci neuronowych przyjmuje się model neuronu w

postaci pokazanej na rys. 10

Rys. 10. Model neuronu

W modelu tym zmiana wagi synaptycznej neuronu podczas przejścia z chwili j do j+1

zaleŜy od jego stanu y oraz stanu wejścia x.

W procesie samo uczenia opisanym powyŜszym modelem, modyfikacji podlegają tyl-

ko wagi tych połączeń, które są aktywne w czasie pobudzenia komórki. Oznacza to, Ŝe neuron
z upływem czasu staje się coraz bardziej podatny na to wymuszenie, które uaktywnia go naj-
częściej.

Neurony tworzą siec, czyli układ nerwowy. Dopiero pewien złoŜony układ neuronów

jest w stanie realizować funkcje charakterystyczne dla systemów nerwowych organizmów
Ŝ

ywych.

Sieć neuronalna w pierwszej fazie jest wykorzystywana jako układ uczący się opty-

malnego sterowania obiektem (bądź stanem wyjściowym obiektu), natomiast w fazie drugiej
umoŜliwia wykonanie zadanego ruchu (uzyskanie określonego stanu), przez proste wygene-
rowanie wektora sygnałów zerojedynkowych, dającego na wyjściu sieci odpowiedni zestaw
sygnałów sterujących stereotypową pracą obiektu.

W ogólnym przypadku numer stereotypowego ruchu musi za pomocą sieci zostać za-

mieniony  na  sygnał  sterujący  obiektem  w  taki  sposób,  aby  otrzymać  proces  jak  najbardziej
zbliŜony  do  zadanego  wzorca.  Celem  układu  uczącego  się  jest  wygenerowanie  w  moŜliwie
malej  liczbie  kroków  takich  sygnałów,  aby  wartość  błędu  była  dostatecznie  mała.  W  skład
takiego układu (rys. 11) wchodzą następujące bloki:

generator binarnych sygnałów wejściowych,

adaptacyjna sieć zbudowana z elementów o sterowanych parametrach

nieznany obiekt sterowania, o którym zakładamy jedynie, Ŝe spełnia pewne warunki
sterowalności

urządzenie porównujące (komparator),w którym sygnały wyjściowe są porównywane
z wzorcowymi i określany jest sygnał błędu.

układ automatycznego sterowania sprzęŜeniami (wartościami współczynników sprzę-
Ŝ

eń) w sieci, w zaleŜności od sygnału błędu

układ automatycznego doboru oraz generacji sygnałów wejściowych

Rys. 11. Schemat blokowy układu uczącego się

Sam mechanizm adaptacyjnego procesu uczenia składa się z dwóch etapów.
Etap pierwszy polega na wstępnej identyfikacji cech nieznanego, nieliniowego obiektu stero-
wania. Połączony jest on z doborem optymalnego sygnału wejściowego sterującego siecią. Na
podstawie wyników tej identyfikacji, w etapie drugim jest dokonywana przebudowa sieci w
taki sposób, aby w moŜliwie krótkim czasie i przy spełnieniu nałoŜonych ograniczeń, na wyj-
ś

ciu sieci otrzymać zespól sygnałów bliski wzorcowemu.

Przeprowadzone badania i modelowania wykorzystujące sieci omawianego typu wykazały, Ŝe
sieci uczące się pozwalają na bardzo szybkie dostosowanie się urządzenia do zmiennych wa-
runków działania i zmiennych zadań.

Progowe sieci neuronalne są w technice robotyzacyjnej na ogół stosowane w dwóch ob-

szarach:

do rozwiązywania zadań kinematyki i dynamiki robotów

do przetwarzania informacji pochodzących z czujników (przede wszystkim w urzą-
dzeniach rozpoznających obrazy).

9.2. Sterowanie ruchem robota

Rozpatrzmy przykład sterowania ruchem dwóch członów wykonawczych robota prze-

gubowego, sterowania opartego na zasadzie działania układów biologicznych i wykorzystują-
cego warstwowe sieci neuronalne. Zadaniem układu będzie kompensacja błędów trajektorii
ruchu, które mogą być spowodowane wpływem warunków rzeczywistych, poprzez „naucze-
nie się" niezbędnych poprawek.

Układ sterowania z kompensacyjną siecią neuronalną pozwalającą umieścić efektor

robota w wymaganym połoŜeniu pokazano na rys. 12.

Rys. 12. Układ sterowania z kompensacyjną siecią neuronalną

Uczenie sieci polegało na ustaleniu wag połączeń dla zbioru punktów x, y w prze-

strzeni roboczej robota. Stwierdzono, Ŝe uczenie sieci nawet na jednym tylko punkcie powo-
duje poprawę dokładności o ok. 50%, natomiast po 8 punktowej serii uczącej, dokładność
pozycjonowania wzrastała dziesięciokrotnie. Bardzo krotki czas uczenia pozwala na szybkie
dostosowanie urządzenia do zmieniających się warunków pracy - przykładowo w przypadku
niewielkich przesunięć robota.

10. Sterowanie rozmyte FC (Fuzzy Control)

10.1. Wprowadzenie

Pojęcie „Fuzzy" pojawiło się po raz pierwszy w roku 1965. Twórcą teorii zbiorów

rozmytych  był  Lofti  Zadeh  Podstawową  ideą  tej  teorii  jest  dąŜenie  do  odtworzenia  sposobu
myślenia  właściwego  człowiekowi,  które  bazuje  na  jeŜyku  naturalnym  i  nie  da  się,  opisać
tradycyjnym  aparatem  matematycznym.  Matematyka  tradycyjna  ma  całkiem  jednoznaczną
interpretacje, podczas  gdy  człowiek w swoim języku naturalnym korzysta z wieloznacznych
interpretacji. Zadaniem nowej teorii jest więc znalezienie rozmytych odpowiedników dla po-
jęć matematycznych i w ten sposób stworzenie nowego aparatu pozwalającego na modelowa-
nie ludzkiego myślenia. Badania w teorii zbiorów rozmytych rozwinęły się w dwóch kierun-
kach.  Jednym  z  nich  było  przeniesienie  tych  pojęć,  które  moŜna  uznać  za  „rozmyte"  na
wszystkie działy matematyki klasycznej. Tak powstały „rozmyte" całki, równania, algorytmy,
itd. Drugim kierunkiem badań jest badanie samej natury „rozmytości" i definiowanie „rozmy-
tych” obiektów.

W teorii zbiorów rozmytych istnieje wiele sposobów, aby sformalizować pojęcia

„rozmyte". Jednym z nich jest przejście od klasycznej binarnej logiki, w której element inter-
pretowany jest albo jako prawdziwy, albo jako fałszywy, do logiki ciągłej. Według tej logiki
oszacowuje  się  stopień  przynaleŜności  kaŜdego  elementu  do  określonego  zbioru  rozmytego.
Metody  formalizacji  pojęć  rozmytych  dopuszczają  przybliŜony  opis  skomplikowanych  ukła-
dów, nie są analizowane metodami matematyki klasycznej. W sytuacjach, w których rozwią-
zanie jest niezbędne, występują przewaŜnie subiektywne cele, ograniczenia i kryteria wyboru
i nie są one jednoznacznie konstatowane. Zachodzi to takŜe wtedy, gdy istniejące informacje
są  niepełne  lub  nie  w  pełni  prawdziwe.  Z  tej  teŜ  przyczyny  korzystanie  z  logiki  „rozmytej”
jest konieczne przy opisywaniu właśnie takich przypadków.

10.2. Podstawy sterowania rozmytego

Sterowanie rozmyte (ang. Fuzzy Control) jest sposobem zastosowania wnioskowa-

nia,  opartego  na  teorii  zbiorów  rozmytych,  do  sterowania  wykonywaniem  między  innymi
takŜe funkcji w układach mechanicznych. Opiera się ono na spostrzeŜeniu, Ŝe skomplikowane
zagadnienia mogą być rozłoŜone na zbiór prostych, niezaleŜnych funkcji. Proces wnioskowa-
nia  rozmytego  składa  się  wice  z  kilku  reguł  (procesów  podstawowych)  i  pojedynczej  sumy
logicznej. Procesy podstawowe są podzielone na warunki (bloki warunkowe) i wnioski (bloki
wynikowe).  Na  rys.  13  pokarano  prostą,  chociaŜ  efektywną  metodę  operacji  wnioskowania
rozmytego.

Jak moŜna zauwaŜyć, zachodzi tutaj kilka procesów podstawowych, z których kaŜdy

oparty jest na innych stanach danych wejściowych. KaŜdy z nich jest w zasadzie niezaleŜny,
gdyŜ  wpływa  tylko  na  końcową  sumę  logiczną.  Podczas  gdy  pojedyncze  procesy  są  proste
(nieskomplikowane),  to  połączenie  ich  pozwala  na  wykonanie  skomplikowanych  i  dokład-
nych  procedur  sterowania.  Procesy  te  łączą  się.  w  operacji  sumowania  logicznego.  Wyniki
podlegają następnie „de  rozmywaniu", czyli przetwarzaniu wartości rozmytych na dyskretne
w przetworniku F/D w którym obliczana jest końcowa wartość funkcji sterującej. Taki proces
wnioskowania  charakteryzuje  się  równoległym  przetwarzaniem  danych  (ma  strukturę  prze-
twarzania równoległego), które jest typowe dla sposobu myślenia człowieka.

Rys. 13. Schemat blokowy procesu wnioskowania w sterowaniu rozmytym

Proces wnioskowania (rys. 13) polega w pierwszym etapie na poszukiwaniu minimum

wartości dla kaŜdej przyjętej reguły, tzn. wyborze najmniejszej wartości spośród znaczników
danych wejściowych objętych analizowaną regułą. Blokiem wynikowym (rys. 13) jest zbiór

rozmyty Y, mający miano określonej wielkości fizycznej. W bloku „Suma logiczna" następuje
końcowe wnioskowanie oparte na kaŜdej z zasad podstawowych w ten sposób, ze końcową
wartością jest maksimum spośród podstawowych zbiorów rozmytych. Ustalenie maksimum
pozwala na uwzględnienie wszystkich zasad (reguł) podstawowych. Taki proces wnioskowa-
nia nosi nazwę zasady min/max i jest podobny do myślenia człowieka

10.3. Przykład sterowania ruchem osi robota

Sygnał do sterowania silnikiem jest wyznaczany w regulatorach połoŜenia i prędkości

które mogą pracować jako układy analogowe bądź cyfrowe. Dalej pokazano jak przy wyko-
rzystaniu  tych  samych  informacji  pochodzących  z  czujników  połoŜenia  i  prędkości  moŜna
sterować pracą silnika (zrealizować zadanie pozycjonowania) przy uŜyciu sterownika rozmy-
tego.  Na  rys.  14  pokazano  schemat  blokowy  doświadczalnego  układu  sterowania  rozmytego
w  pojedynczej  osi  robota.  W  układne  zastosowano  mikroprocesor  firmy  NeuraLogic
NLX23O.

Rys. 14. Schemat blokowy sterowania pojedynczej osi robota

Wielkościami wejściowymi do sterownika są uchyb połoŜenia i prędkość ruchu, a

wielkością  wyjściową  jest  przyrost  prędkości.  Wielkości  wejściowe  pobierane  są  z  licznika
rewersyjnego,  w  którym  wyliczane  są  one  na  podstawie  impulsów  generowanych  w  prze-
tworniku obrotowo-impulsowym, przy czym liczba impulsów odpowiada przemieszczeniu, a
ich częstotliwość - prędkości. Procesor jednoukładowy odczytuje aktualne przemieszczenie z
licznika rewersyjnego, porównuje je z zadanym, a następnie wylicza uchyb połoŜenia. Wyli-
czone  wielkości  są  podawane  do  sterownika  rozmytego.  W  odpowiedzi  sterownik  generuje
przyrost prędkości, który poprzez przetwornik C/A jest podawany do analogowego regulatora
prędkości. Opisana pętla jest powtarzana co 1 ms.

Układ NLX130 znajduje wygrywającą regułę uŜywając min/max metody wnioskowa-

nia. Dla kaŜdej reguły, spośród termów w niej ujętych, zostaje wyznaczony term, dla którego
funkcja przynaleŜności ma najmniejszą wartość. Następnie z termów otrzymanych w ten spo-
sób zastaje znaleziony term maksymalny. Reguła, z której pochodzi znaleziony w ten sposób
term, jest regułą wygrywającą i odpowiadająca jej wartość zostaje podana na wyjście

10.4. Zalety sterowania rozmytego

Proces wnioskowania w sterowaniu rozmytym charakteryzuje się równoległym prze-

twarzaniem danych (ma strukturę przetwarzania równoległego), które jest typowe dla sposobu
myślenia człowieka. W odniesieniu do układów mechanicznych ma to wiele zalet, pokaza-
nych poniŜej.

Konwencjonalne systemy sterowania wymagają ścisłych algorytmów przetwarzania

danych. JednakŜe niektóre rodzaje sterowań są albo bardzo trudne, albo wręcz niemoŜliwe do
algorytmizacji  Sterowanie  „Fuzzy"  pozwala  na  pokonanie  tych  problemów.  W  większości
przypadków  „Fuzzy"  wymaga  1/10,  a  czasami  nawet  mniej  informacji  niŜ  sterowanie  kon-
wencjonalne.  Zmniejsza  to  bardzo  znacznie  czas  projektowania  podsystemu  sterowania
zautomatyzowanych maszyn, układów mechanicznych, czy tez systemów produkcyjnych.

Proces sterowania rozmytego nie wymaga wykonywania obliczeń, stad tez jego szyb-

kość realizacji jest większa niŜ sterowania dyskretnego. Szybkość przetwarzania zwiększa się
równieŜ  dlatego,  poniewaŜ  kaŜdy  proces  podstawowy  przebiega  oddzielnie  i  wszystkie  te
procesy  mogą  przebiegać  równolegle  i  jednocześnie  Dodatkową  zaletą  jest  to,  Ŝe  wszystkie
procesy  podstawowe  mogą  być  osobno  sprawdzane.  Na  przykład  pojedyncza  cześć  procesu
podstawowego,  która  wywiera  tylko  niewielki  wpływ  na  ostateczny  wynik,  moŜe  być  testo-
wana w taki sposób, ze tylko jej prawidłowy wynik wpłynie na wartość sumy logicznej. Pew-
ność działania zwiększona jest równieŜ dlatego iŜ zdeterminowane systemy sterowania prze-
twarzają równania szeregowo i jeŜeli choć w jednym z nich wystąpi błąd, to końcowy rezultat
będzie błędny. PoniewaŜ w sterowaniu rozmytym kaŜdy z procesów podstawowych odbywa
się oddzielnie, to wpływ pojedynczego procesu na końcowy wynik jest minimalny. W rezul-
tacie system sterowania jako całość jest bardzo odporny na błędy i zakłócenia.

Bibliografia

Honczarenko Jerzy – „Roboty przemysłowe. Elementy i zastosowanie” WNT
Warszawa 1996

Honczarenko Jerzy – „Wprowadzenie do robotyki” Szczecin 1994

Wrotny Lucjan Tadeusz – „Sterowanie w technice robotyzacyjnej i w elastycz-
nych systemach produkcyjnych” WNT Warszawa 1991

John J. Craig – „Wprowadzenie do robotyki – Mechanika i sterowanie” Tłuma-
czenie- Józef Knapczyk WNT Warszawa 1993

M. W. Spong, M.Vidyasagar– „Dynamika i sterowanie robotów” WNT Warszawa
1997