Roboty przemysłowe jako narzędzia.pdf

PODSTAWY ROBOTYKI

PR W 1.1

Roboty przemysłowe jako narzędzia

Interpretacja systemowa różnych form pracy ludzkiej

Od niepamiętnych czasów czynności zmierzające do kształtowania i opanowania

otoczenia były jednymi z najważniejszych i najbardziej charakterystycznych czynności

ludzkich. Do czynności tych należy:

 tworzenie coraz doskonalszych narzędzi, umożliwiających coraz skuteczniejsze

oddziaływanie na otoczenie;

 dążenie do coraz lepszego poznaniu otoczenia, aby określić najbardziej efektywne

sposoby oddziaływania na otoczenie.

Na uwagę zasługuje to, że właściwie wszystkie znane formy pracy ludzkiej można

opisywać posługując się pojęciami teorii systemów i sterowania. Ze względu na bardzo dużą

przydatność tych pojęć przy opisie konstrukcji i zasad działania robotów jest pożądane

zaznajomienie się z tymi pojęciami właśnie na przykładach najbardziej prostych i znanych, a

związanych z pracą ludzką.

1. Praca bez narzędzi

Najbardziej prymitywny etap rozwoju pracy ludzkiej to etap pracy bez narzędzi.

Charakteryzuje się on tym, że człowiek oddziałuje na przedmioty ze swojego otoczenia

bezpośrednio swoimi rękoma, wykorzystując przy tym energię mięśni sterowaną za pomocą

systemu nerwowego.

Oddziaływanie na przedmiot wymaga znajomości wielu jego właściwości, całokształt

których tworzy stan przedmiotu. Na podstawie informacji o stanie przedmiotu (np. o

głębokości i średnicy dołu, barwie ziemi, twardości gruntu itp.) przekazywanej do systemu

nerwowego człowieka za pomocą naturalnych przetworników pomiarowych, jakimi są

zmysły: wzroku, dotyku, słuchu, węchu i inne, może on modyfikować swoje oddziaływanie

na przedmiot. Charakterystyczną cechą najprostszej nawet pracy ludzkiej jest więc istnienie

sprzężenia zwrotnego pomiędzy przedmiotem a człowiekiem (rys. 1).

Rys. 1. Schemat blokowy pracy bez narzędzi

Istota sprzężenia zwrotnego w przypadku pracy bez narzędzi polega na tym, że

oddziaływanie człowieka na przedmiot jest uzależnione od informacji o stanie przedmiotu,

przekazanej człowiekowi za pośrednictwem jego zmysłów.

Kolejną podstawową cechą najprostszej pracy ludzkiej jest jej celowość. Celem

działania w rozpatrywanym przykładzie z rys. 1. może być np. wykopanie dołu o

odpowiednich rozmiarach lub dotarcie do żyły wodnej.

Należy zwrócić uwagę na to, że wybór zmiennych tworzących stan przedmiotu

zależy od celu działania.

Zależnie bowiem od celu działania, istotnymi będą tylko niektóre spośród

bardzo wielu właściwości przedmiotu, np. w rozpatrywanym przykładzie twardość gruntu,

ilość kamieni w gruncie, wilgotność gruntu. Nieistotnymi będą natomiast takie zmienne jak

radioaktywność gruntu, barwa gruntu lub rodzaj i ilość bakterii żyjących w jednostce

objętości gruntu. Reasumując:

Stanem przedmiotu ze względu na określony cel działania nazywa się wszystkie te

zmienne charakteryzujące przedmiot, których znajomość jest potrzebna do osiągnięcia

postawionego celu.

W dalszym ciągu, ilekroć zostanie użyty krótszy termin ,,stan przedmiotu”, należy

pamiętać o tym, że jest on określony ze względu na jakiś konkretny cel działania. Stan

przedmiotu dogodnie przedstawić w postaci wektora, którego składowe: twardość gruntu,

wilgotność gruntu noszą nazwę współrzędnych stanu.

Nieco trudniej zauważalną cechą rozpatrywanej najprostszej pracy ludzkiej jest istnienie

w świadomości wykonującego ją człowieka zasobu doświadczeń z takich samych lub

podobnych prac wykonanych wcześniej, umożliwiającego mu predykcję (przewidywanie)

skutków różnych oddziaływań na przedmiot.

Całokształt dotychczasowych doświadczeń, umożliwiających predykcję skutków

różnych oddziaływań na przedmiot, nazywa się modelem przedmiotu.

Modele przedmiotów, spotykane na omawianym etapie pracy ludzkiej, są z reguły mało

precyzyjne, ,,rozmyte”, nieostre. Mogą one np. składać się ze stwierdzeń typu:

 ,,Jeżeli będzie się otwór pogłębiać nie poszerzając go równocześnie, to ściany boczne

będą się obsuwać, zasypując go ponownie.”

 ,,Jeżeli wykopana ziemia zostanie składowana zbyt blisko otworu, będzie się ona

obsuwać w miarę dalszego kopania.”

 ,,Jeżeli będzie się kopać dół samemu, to nie zakończy się pracy przed zmierzchem.”

W dalszym ciągu okaże się, że wprowadzone dla opisu najprostszej pracy ludzkiej

pojęcia: celu działania, stanu przedmiotu, modelu przedmiotu i sprzężenia zwrotnego, są

pojęciami bardzo ogólnymi, szczególnie przydatnymi do opisu bardziej złożonych form pracy

ludzkiej oraz realizowanej za pomocą robotów i manipulatorów.

2. Praca z narzędziami prostymi

Na etapie pracy z narzędziami prostymi, tj. narzędziami napędzanymi energią mięśni

ludzkich i wspomaganymi pracą bez narzędzi, można również wyróżnić: cel działania, stan

przedmiotu, model przedmiotu i sprzężenie zwrotne od stanu przedmiotu (rys. 2.). Nowymi

elementami systemowymi tej pracy są:

Rys. 2. Schemat pracy z narzędziami prostymi, wspomaganej pracą bez narzędzi

 model narzędzia, będący całokształtem dotychczasowych doświadczeń ze stosowania

tego narzędzia, umożliwiających predykcję skutków różnego użycia narzędzia. Model

ten, podobnie jak model przedmiotu, jest modelem nieprecyzyjnym, rozmytym;

 stan narzędzia, będący zbiorem wszystkich tych zmiennych charakteryzujących

narzędzie, których znajomość jest potrzebna do osiągnięcia wytyczonego celu.

Współrzędnymi stanu narzędzia może być np. prędkość młota w chwili uderzenia, kąt

uderzenia, punkt uderzenia;

 sprzężenie zwrotne od stanu narzędzia, informujące człowieka za pośrednictwem

jego zmysłów o wszystkich istotnych, do realizacji celu, współrzędnych stanu

narzędzia.

Modele przedmiotu i narzędzia na etapie pracy z narzędziami prostymi są równie mało

precyzyjne i rozmyte jak modele przedmiotów na etapie pracy bez narzędzi. Osiąganie przez

człowieka bardzo złożonych celów w oparciu o tak mało precyzyjne modele jest możliwe

przede wszystkim dzięki:

 dużej liczbie różnych, bardzo złożonych przetworników pomiarowych (zmysłów),

którymi dociera do niego informacja o stanie przedmiotu i narzędzia oraz

 jego bardzo dużej inteligencji, umożliwiającej mu rozpoznawanie współrzędnych cech

różnych sytuacji, szybkie uczenie się metodą prób i błędów w trakcie wykonywania

pracy, szybką adaptację do nowych, nieznanych właściwości przedmiotu lub narzędzia.

Jak się okaże w dalszym ciągu, przejęcie części zadań człowieka przez bez porównania

mniej inteligentny i dysponujący małą liczbą prymitywnych przetworników pomiarowych

robot sprawi, że model przedmiotu, którym będzie musiał dysponować robot będzie znacznie

bardziej precyzyjny aniżeli model, który wystarczał człowiekowi.

3. Praca z narzędziami złożonymi

Kolejnym ważnym krokiem na drodze rozwoju pracy ludzkiej było rozpowszechnienie

się narzędzi złożonych, mających zewnętrzne źródła energii (np. cieplnej lub elektrycznej).

Na etapie tym:

 naturalne czujniki pomiarowe człowieka (jego zmysły) zostają uzupełnione złożonym

oprzyrządowaniem pomiarowym. Elementem tego oprzyrządowania są np. przetworniki

przesunięć, sił, momentów, temperatur, czasów i inne. Umożliwiają one obiektywne

określenie wielu ważnych współrzędnych stanu przedmiotu i narzędzia;

 modele przedmiotu i narzędzia podlegają częściowej formalizacji, tzn. są częściowo

wyrażone w postaci precyzyjnych relacji matematycznych wiążących skutki

oddziaływania na przedmiot i skutki użycia narzędzia ze sposobem oddziaływania na

przedmiot i sposobem użycia narzędzia. Przykładami modeli sformalizowanych może

być funkcja określająca średnią temperaturę przedmiotu w zależności od jego

rozmiarów, czasu pobytu w określonym piecu oraz mocy grzewczej pieca lub funkcja

określająca głębokość wywierconego otworu w zależności od średnicy, prędkości

kątowej i siły nacisku wiertła oraz czasu wiercenia i rodzaju materiału;

 sposób osiągania celu działania zostaje w pewnym stopniu sformalizowany, tj.

przedstawiony w postaci ciągu kolejnych, dokładnie zdefiniowanych etapów pracy.

Rola człowieka w procesie obróbki przedmiotu zostaje na omawianym etapie (rys. 3)

ograniczona do czynności ręcznego manipulowania przedmiotu oraz do sterowania systemu

złożonego z:

 wzmacniaczy przekazujących energię z zewnętrznego źródła do narzędzia;

 narzędzia;

 przedmiotu obróbki.

Rys. 3. Schemat blokowy pracy z narzędziami złożonymi, mającymi zewnętrzne

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: