|
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Стремительное развитие робототехники за последнюю четверть века существенно обогатило технический прогресс и предоставило человечеству новью средства автоматизации — промышленные роботы, применяемые в качестве транспортных средств, технологических машин и элементов гибких систем комплексной автоматизации. Фундаментальные идеи робототехники основываются на новейших достижениях в области теоретической и прикладной механики, электроники, вычислительной техники, технологии, теории управления.
Интенсивному развитию робототехники сопутствуют публикации по конкретным отдельным достижениям и обобщающие монографии, хотя создание последних требует значительного теоретического, практического и педагогического опыта. К числу таких обобщающих многоплановых публикаций относится данная книга, которая отражает опыт исследований по кинематике, динамике, системам управления и очувствления и по программному обеспечению промышленных манипуляционных антропоморфных роботов типа Пума. Отечественным аналогом является робот РМ-01. Монография отличается от других книг по этой тематике систематичностью изложения, общностью подходов и методов, что позволяет использовать ее и как учебное пособие. Среди отечественных и зарубежных книг по робототехнике лишь немногие могут претендовать на подобное обобщение и служить учебниками.
Основное внимание авторы уделили рассмотрению робота как управляемой механической системы. Читатель получает возможность проследить все основные этапы конструирования робота — от кинематики и динамики до систем управления, программирования и придания роботам некоторых свойств искусственного интеллекта.
Авторы постепенно вводят читателя в курс основных проблем по механике и управлению антропоморфными
манипуляционными роботами. От подробного изложения основ кинематики и динамики авторы переходят к планированию траекторий движения манипулятора, затем к построению комбинированных по положению и силе систем управления, в том числе адаптивных. Рассмотрены различные способы планирования траектории манипулятора при отсутствии и наличии препятствий на пути его движения. Подробно описаны проблемы увеличения точности с помощью интерполяции траектории полиномами и выбором опорных точек, в которых производится коррекция параметров движения. Большое внимание уделяется системам низкого и высокого уровней технического зрения, программному обеспечению и языкам программирования роботов, экспертным системам в связи с разработкой элементов искусственного интеллекта, решению проблем обучения и планирования задач.
Авторы использовали обширный литературный материал, в основном американские, английские и японские работы. Некоторые отечественные публикации по этим вопросам мы приводим ниже в качестве дополнительной литературы.
Материал данной книги изложен достаточно полно и доступно. Основные теоретические положения иллюстрируются большим числом тщательно подобранных примеров, пользуясь которыми читатель может глубже понять и усвоить прочитанное. Монография написана простым и ясным языком, в чем проявился большой педагогический опыт авторов, снабжена хорошими четко выполненными иллюстрациями.
Книга представляет интерес для специалистов и рассчитана на научных сотрудников, преподавателей, инженеров, аспирантов, а также студентов, интересующихся проблемами робототехники и автоматизации производства. Перевод книги выполнили А. А. Сорокин (гл. 1 — 4, предисловие), М. Ю. Рачков (гл. 5 — 7, приложение), А. В. Градецкий (гл. 8 — 10).
В. Г. Градецкий
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Робототехника и гибкие производственные системы: Проблемы создания гибких автоматических производств.Под ред. академиков И. М. Макарова, К. В. Фролова, чл.-корр. АН СССР П. Н. Белянина. — М.: Наука, 1987.
2. Научные основы робототехники.Под ред. чл.-корр. АН СССР Д. Е. Охоцимского и чл.-корр. АН СССР Е. М. Попова. — М.: Наука, 1987.
3. Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы: Динамика и алгоритмы. — М.: Наука, 1978.
4. Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления манипуляционных роботов. — М.: Наука, 1978,
5. Кулешов В. С., Лакота Н. А. Динамика систем управления манипуляторами. — М.: Энергия, 1971,
6. Промышленная робототехника.Под ред. Я. А. Шифрина. — М.: Машиностроение, 1983.
7. Тимченко В. А., Сухомлин А. А. Роботизация сварочного производства. — К.: Техника, 1988.
8. Пашков Е. В., Погорелов Б. В., Карлов А. Г. и др. Робототехнические системы в сборочном производстве. — К.: Вища школа, 1987.
9. Костюк В. И., Гавриш А. П., Ямпольский Л. С., Карлов А. Г. Промышленные роботы: Конструирование, управление, эксплуатация. — К.: Вища школа. 1985.
10. Черноусько Ф. Л., Болотник Н. Н., Градецкий В. Г. Манипуляционные роботы: Динамика, управление, оптимизация. — М.: Наука, 1989.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга написана с целью предоставить инженерам, ученым и учащимся (связанным по роду своей деятельности с робототехникой) всестороннее, систематическое и современное изложение принципиальных вопросов, лежащих в основе конструирования, анализа и синтеза робототехнических систем.
Начало развития робототехники можно отнести к середине 40-х годов, когда в Окриджской и Аргоннской национальных лабораториях были сконструированы и собраны манипуляторы копирующего типа, предназначенные для работы с радиоактивными веществами. Первый промышленный робот, управляемый с помощью компьютера, был создан фирмой Юнимейшн в конце 50-х годов. В течение следующих 15 лет появился целый ряд промышленных и экспериментальных устройств этого типа. Несмотря на доступность технологии изготовления и применения роботов, широкий интерес к робототехнике как самостоятельной области исследований проявился сравнительно недавно, что объясняется значительным отставанием производства а большинстве промышленных стран.
Робототехника представляет собой область знания, лежащую на стыке различных дисциплин. Она включает как вопросы конструирования отдельных механических и электрических узлов, так и технологию построения системы очувствления, вопросы применения компьютеров, проблемы искусственного интеллекта. Основная масса материалов, касающихся теоретических основ, вопросов конструирования и приложений робототехники, разбросана по многочисленным техническим журналам, материалам конференций, исследовательским работам и книгам, в которых либо рассматриваются специальные вопросы робототехники, либо дается краткий обзор исследований в этой области. В связи с этим трудно, особенно для новичка, изучить круг вопросов, составляющих основу предмета. Данная книга представляет собой попытку последовательно издожить основные методы и принципы робототехники. Тем самым предлагаемая книга может использоваться и как учебное пособие, и как справочник. Студенты найдут в ней логически связанное обсуждение основных понятий и наиболее важных методов. Для инженеров и ученых эта книга может служить готовым справочником, поскольку в ней систематизированы понятия и методы робототехники.
Математический уровень изложения материала книги предполагает знакомство читателя с основами теории матриц, теории вероятностей, программирования и математического анализа. Основное внимание уделено выводу фундаментальных результатов, базирующемуся на первичных понятиях и представлениях. По ходу изложения приводятся многочисленные примеры. В конце каждой главы даются задачи разных типов и уровней сложности. Некоторые из этих задач позволят читателю в процессе их решения глубже понять излагаемый в книге материал. Другие служат как бы дополнением и расширением затронутого круга вопросов.
Предлагаемая книга была создана на основе материалов лекций, которые ее авторы читали в университетах в Пэрдью (Purdue), Теннесси (Tennessee) и Мичигане (Michigan). Материал был тщательно отработан в процессе семинарских занятий и при чтении всеми авторами многочисленных кратких курсов в течение пятилетнего периода. На характер изложения материала в книге существенное влияние оказали замечания и предложения студентов, слушавших эти курсы.
Авторы книги выражают признательность всем, кто прямо или косвенно содействовал подготовке ее текста. В особенности нам бы хотелось поблагодарить профессоров В. Л. Грина, Г. Н. Саридиса, Р. Б. Кэлли, Я. И. С. Лу, Н. К- Ло, В. Т. Снайдера, Д. Бржаковича, Е. Г. Бурдэ, М. Я. Чунга, В. X. Ли, а также докторов О. Е. Вудса, С. Дугласа, А. К.. Бьецци, С. Дэя, Ф. Кинга и Л.-В. Тзая. Неоспоримо также, что за последние пять лет, проведенные нами в университетской среде, студенты оказали влияние не только на наши мысли, но и на развитие вопросов, затронутых в этой книге. Нам бы хотелось отметить здесь тех студентов, которые работали вместе с нами в процессе выполнения своих выпускных и преддипломных исследований. Это Д. А. Херрера, М. А. Абиди, Р. О. Иасон, Р. Сафа-бакш, А. П. Перец, К. X. Хайден, Д. Р. Кэйт, К. А. Райнхарт,
Н. Алвертос, Е. Р. Мейер, П. Р. Чанг, К. Л. Чен, С. X. Хоу, Г. X. Ли, Р. Джангклас, Хуарг и Д. Хуанг. Мы благодарим также г-жу Сюзен Мерел, г-жу Дэнис Смидди, г-жу Мэри Верден, г-жу Фрэнси Бурдэ и г-жу Мэри Энн Прудер за печатание многочисленных вариантов рукописей. И наконец, мы выражаем нашу признательность Национальному фонду, министерству военно-воздушных сил, министерству военно-морского
флота, министерству вооруженных сил, фирмам «Вестингхаус», «Мартин Мариэтта Аэроспейс», «Мартин Мариэтта Энеджи Системз», «Юнион Карбайд», «Локхид Миссайлз энд Спэйс Компани», Ок-Риджской национальной лаборатории и Университету центра по управлению и измерениям в Теннесси за финансирование наших исследований в области робототехники, искусственного зрения, искусственного интеллекта и смежных областях.
К. Фу, Р. Гонсалес, К. Ли
Профессор Кинсан Фу скончался 29 апреля 1985 г. в Вашингтоне (округ Колумбия) от сердечного приступа вскоре после завершения работы над этой книгой. Это большая потеря для всех, кому посчастливилось знать этого человека и работать с ним на протяжении его продуктивной и выдающейся творческой деятельности,
Р. Гонсалес, К. Ли
ОБ АВТОРАХ
Кинсан Фу был профессором Университета Пэрдью. Он получил ученые степени бакалавра, магистра и доктора наук соответственно в Национальном университете Тайваня, университетах Торонто и Иллинойса, был всемирно известным специалистом в области распознавания образов, обработки изображений и искусственного интеллекта, внес существенный вклад как в фундаментальные, так и прикладные исследования. Написал четыре книги и более 400 статей по автоматическому распознаванию образов. Подготовил 75 докторов наук. Был избран членом Национальной инженерной академии в 1976 г., удостоен медалей Американского общества технического образования в 1981 г. и Международного общества по электронике и электротехнике в 1982 г. Был членом Международного общества по электронике и электротехнике, с 1971 г. — членом общества Гугенхейма, а также почетным членом обществ Сигма Кси, Эта Каппа Ню и Тау Бета Пи. Основал и был первым президентом Международной ассоциации по распознаванию образов, был главным редактором журнала по распознаванию образов и машинному интеллекту. Профессор Фу умер от сердечного приступа 29 апреля 1985 г. в Вашингтоне.
Рафаэль Гонсалес является профессором по вычислительной технике Университета Теннесси в Кноксвилле, а также основателем и президентом фирмы Персептикс Корпорейшн, которая специализируется в области обработки изображений, распознавания образов, технического зрения и машинного интеллекта. Степень бакалавра он получил в Университете Майами, а ученые степени магистра и доктора — в Университете Флорида в Гейнесвилле. Всемирно известен в своей области, им или с его участием написано более 100 статей и 4 книги в области обработки изображений, распознавания образов и машинного зрения. Является консультантом многих промышленных фирм и правительственных учреждений. Состоит во многих научных
обществах, в том числе в обществах Тау Бета Пи, Фи Каппа Фи, Эта Каппа Ну, Сигма Кси, а также в международном обществе по электронике и электротехнике.
К. Ли является профессором Университета Пэрдью. Ученые степени бакалавра и магистра он получил в Вашингтонском государственном университете, а степень доктора наук в Университетах Пэрдью и Мичигана. Автор более 40 научных статей, докладов по робототехнике на многих конференциях. В настоящее время специализируется в области робототехники, автоматизации и интегрированных производственных систем. Ведет интенсивную консультационную работу в области робототехники для автомобильных и аэрокосмических фирм. Рецензент-консультант с 1983 г. научных программ в области применения вычислительной техники Международного общества по электронике и электротехнике, технический издатель журнала по робототехнике и автоматизации, член технических комитетов различных конференций по робототехнике. Состоит в научных обществах Сигма Кси, Тау Бета Пи, Международном обществе по электронике и электротехнике, в Американской ассоциации по промышленным роботам.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А-алгоритм 524 — 525 Автомат 471
Агрегирование пикселов 418 Адаптивное управление 270 Аккумулятивная разность 425 Алгоритм Накаши и Шингала 447
— планирования траектории 509 — 510
— постоянной стоимости 406
— формирования систем координат звеньев 54 — 56
узловых точек траектории 171
Анализ конечных значений 536 Аналоговые тактильные датчики 315 А0-алгоритм 530
Аппроксимация многоугольниками 434
Базовая линия 357 Бесконтактные датчики 296 Большая ось границы 437
Вектор 569
— ошибки позиционирования 250
— прототипа 461
— сложение 570
— умножение на скалярную величину 570
Векторное произведение 575 Векторы базисные 572 Верхний уровень технического зрения 327
Внешнее очувствление 295
Воспроизведение 24 Вращающиеся системы координат 123 Вращение 342
Выбор оптимального порога 408
«Генерация и тест» 565 Геометрический подход 77 Гистограммное выравнивание 376 Глобальный порог 407 Грамматики цепочек 467 Граф решения 530 1
Датчик сочленения 319
Датчики дискретные пороговые 314
— емкостные 309
— измерения в ближней зоне 306
— дальней зоне 296
— индуктивные 306
— роботов внутреннего состояния 295
— схвата 319
— Холла 308 Двигатели сочленений 297 Декартовы системы координат 673 Декомпозировщик 502
Дерево схожести 464 Дескрипторы границы 430
— области 441 Детерминанты 584
Динамика манипулятора 20, 100 Дискретизация изображения 332
Длина скрутки 50 Древовидная грамматика 472 ДХ-представление 52, 103
Емкостные датчики 309
Изменение масштаба 342 Измерение расстояний между пикселами 361
Измеритель расстояния по времени прохождения сигнала 301 Инварианты моментов 450 Индекс формы 437 Индуктивные датчики 306 Интерпретация 477 «Искусственная кожа» 315
Калибровка датчика 322
— камеры 355
Квантование по интенсивности 332
серому уровню 333
Кинематика манипулятора 20
— обратная задача 69
прямая задача 29
уравнения 58
Классификация манипуляторов 68 Компенсация в системах с цифровым
управлением 245
— по прямой связи 239 Контактные датчики 295 Конфигурации манипуляторов 79 Корректирующий момент 244 Кососимметрическая матрица 582 Крен 15, 40
Критерии выбора конфигурации захвата 561
— работоспособности системы 235 Критическое демпфирование 236, 244
Линейная зависимость 572 Линейное векторное пространство 571 Линейные комбинации 572 Локальное гистограммное выравнивание 382 Локальный анализ 396
Матрица схожести 465 Матрицы поворота 29, 32, 34 Метод «гипотеза — тест» 558
— задания гистограммы 379
— Лагранжа — Эйлера 103
— Ньютона — Эйлера 138
— обратных преобразований 70
— подсветки 298
— с непрерывным лучом 304
— стохастической аппроксимации 269 Методы поиска на графе 522
— направленного освещения 340
— пространственной области 363 — 368
— рассеянного освещения 336
— структурного освещения 336
— частотной области 366 Многосуставный робот 242 Моделирование 552
— рабочего пространства 503 Модель воспроизводящей камеры 349 Модельный вектор 461
— объект 516 Модульное расстояние 361 Мощность системы технического зрения 479
m-связный пиксел 360
Надкритическое демпфирование системы 236 Направленный граф 403 Независимое адаптивное управление движением 285 Нижний уровень технического зрения 327
Областно-ориентированная сегментация 417
Обобщенные уравнения Д’Аламбера 143
Обобщенный конус 458 Обратное двумерное преобразование Фурье 366 Обратные матрицы 587 — преобразования 343
Обучение 24 Обход препятствий 558 Ограничения на траекторию 176 Одноразмерный БПФ-алгоритм 367 Однородная матрица композиции преобразований 46
элементарного сдвига 44
Однородные матрицы элементарных поворотов 43
— координаты 42
Одношаговый оптимальный закон управления 276 Операция обращения 40
— транспонирования 30 Описание задачи сборки 505 — 508 Определение кромок 385 — 389 Оптические датчики 313
— преобразования 344 Ортогональное преобразование 31 Очувствление 497
Ошибка позиционирования конечного звена 264
ПД-регуляторы 227 ПД-управление 283 Период дискретизации 245 Пиксел 334
Планирование движения 515
— захвата 561
— траектории 171, 189, 168 Планировщик 25
— задач 502, 551
Подвижные системы координат 125 Пороговое разделение 390 Построение экспертной системы 563 Правило заметания объема 458 Правильно построенные формулы (ППФ) 458 Представление Денивита — Хартенберга 52
Преобразование Хоуга 399 Принцип дАламбера 130
— максимума Понтрягина 247 Проблемно-ориентированное программирование 488
Проблемно-ориентированные языки 501
Проведение контуров 396 Программирование обучением 486 Программное управление 257 Производящая система 522 Производящие правила 564 Простейший элемент 463 Пространство состояний 516 Прямое двумерное преобразование Фурье 366
Рабочее пространство 511 Разбиение области 420 Разметка линий 456 Ранг матрицы 586 Распознавание 460
— слов 24
Рекуррентные уравнения динамики манипулятора 129 Рекурсивный алгоритм идентификации по наименьшим квадратам 279 Решающие функции 461 Робот 13
Роботоориентированное программирование 488 Роботоориеитированные языки программирования 489, 490 — 497 Рысканье 15, 40
Самонастраивающееся адаптивное управление 292 Свободное пространство 560 Сглаженные траектории 174 Сглаживание 367
Сглаживающие дискретные изображения 373 Сегментация 396
— трехмерных структур 452 Сигнатуры 433
Силомоментные датчики 296, 319 Символические пространственные связи 554
Симметрическая матрица порядка п 482
Синтаксические методы 467 Синтез программы 508 Система STRIPS 541
Системные средства программирования 499
Системы углов Эйлера 37, 65
— с переменной структурой 250 Скаляр 569
Скалярное произведение 574 Скелет области 446 След матрицы 108, 588 Слепой поиск 523 Смещение 341 Собирающие элементы 399 Соседние пикселы 359 Состояние 516
Средний уровень технического зрения 327 Степень схожести 464 Стереоизображение 357 Структурные методы распознавания 463
Тактильные датчики 314 Тангаж 15, 40 Текстура 442 Теорема Найквиста 245 Теоретические методы распознавания 461
Техническое зрение 326
Типы управления манипулятором 168
Точка подхода 175
— ухода 175
Траектория схвата 21, 169 Триангуляция 296
Углы Эйлера 74 Угол скрутки 50 Узловые точки траектории 170 Ультразвуковой измеритель расстояний 305 Ультразвуковые датчики 311 Управление 491
— адаптивное по возмущению 275
--------- заданной траектории 270
с авторегрессионной моделью
273
— независимое программное 257, 261, 264, 266
— нелинейное независимое по обратной связи 252
— оптимальное по быстродействию 246, 249
Уравнение Лагранжа — Эйлера 103 Усреднение изображения 371
— окрестности 367 Усредненная фильтрация 368 Устройство позиционирования 232
Функция плотности наклона 434
— ранжирования 473
Цепные коды 430 Циклическая перестановка 578 Цифровое изображение 334
Частота дискретизации 245
Шахматное расстояние 362 Штрафная функция 559
Эвристики 523
Эвристическая информация 524 Экспертные системы 562
Dendral 564
MYCIN 565
Элемент изображения 334 Эффект Холла 308
Язык логики предикатов первого порядка 532
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие редактора перевода 5
Предисловие... 8
Об авторах... 11
Глава 1. Введение ... 13
1.1. Основные положения... 13
1.2. История развития роботов...16
1.3. Кинематика и динамика манипулятора...20
1.4. Планирование траекторий и управление движением манипулятора ...21
1.5. Системы очувствления роботов...22
1.6. Языки программирования для робототехнических систем . . 23
1.7. Машинный интеллект...25
1.8. Литература...26
Глава 2. Кинематика манипулятора . ... 27
2.1. Введение...27
2.2. Прямая задача кинематики...29
2.3. Обратная задача кинематики...69
2.4. Заключение...93
Литература . . . .-1...94
Упражнения...94
Глава 3. Динамика манипулятора 100
3.1. Введение... 100
3.2. Метод Лагранжа — Эйлера... . . . 103
3.3. Уравнения Ньютона — Эйлера...122
3.4. Обобщенные уравнения ДАламбера...143
3.5. Заключение...161
Литература...161
4.1. Введение...168
4.2. Общая постановка задачи планирования траекторий . . . .171
4.3. Сглаживание траектории в пространстве присоединенных переменных ...174
4.4. Планирование траекторий в декартовых координатах ... 193
4.5. Заключение...217
Литература...218
Упражнения... 219
Глава 5. Управление манипуляторами промышленного робота...222
5.1. Введение ... 222
5.2. Управление манипулятором Пума ...224
5.3. Метод вычисления управляющих моментов...226
5.4. Субоптимальное по быстродействию управление...246
5.5. Управление манипулятором с переменной структурой ... 250
5.6. Нелинейное независимое управление по обратной связи . , . 252
5.7. Независимое программное управление движением ... 257
5.8. Адаптивное управление...270
5.9. Заключение... 292
Литература...293
Упражнения...293
Глава 6. Очувствление... 295
6.1. Введение...295
6.2. Датчики измерения в дальней зоне... 296
6.3. Очувствление в ближней зоне...306
6.4. Тактильные датчики...314
6.5. Силомоментное очувствление...319
6.6. Заключение...323
Литература...323
Упражнения...324
Глава 7. Системы технического зрения нижнего уровня...326
7.1. Введение...326
¦ 7.2. Получение изображения...328
7.3. Методы освещения...336
¦ 7.4. Геометрия изображения...340
7.5. Некоторые основные взаимосвязи между пикселами ... 359
7.6. Предварительная обработка информации ...363
7.7. Заключение...392
Литература...393
Глава 8. Системы технического зрения высокого уровня . 395
8.1. Введение...395
8.2. Сегментация...396
8.3. Описание...430
8.4. Сегментация и описание трехмерных структур...452
8.5. Распознавание...460
8.6. Интерпретация...477
8.7. Заключение...481
Литература...482
Упражнения...484
Глава 9. Языки программирования роботов...485
9.1. Введение...486
9.2. Характеристики роботоориентированных языков...489
9.3. Характеристики проблемно-ориентированных языков ... 501
9.4. Заключение...511
Литература...511
Упражнения...514
Глава 10. Искусственный интеллект и планирование задач в робототехнике 515
10.1. Введение...515
10.2. Поиск в пространстве состояний...515
10.3. Проблема сведения задачи к подзадачам...526
10.4. Применение логики предикатов...532
10.5. Анализ конечных значений...536
10.6. Решение задачи...540
10.7. Обучение робота...549
10.8. Планирование задачи движения роботов...551
10.9. Основные проблемы планирования задач ...554
10.10. Экспертные системы и системы представления знаний . . . 562
10.11. Заключение...566
Литература...567
Упражнения...568
Приложение А. Векторы и матрицы ...569
А.1. Скалярные и векторные величины...569
А.2. Сложение и вычитание векторов...570
А.З. Умножение векторов на скалярные величины...570
А.4. Линейное векторное пространство...571
А.5. Линейная зависимость и линейная независимость ... 572
А.6. Линейные комбинации, базисные векторы и размерность . . 572
А.7. Декартовы системы координат...573
А.8. Произведение двух векторов...574
А.9. Произведение трех и более векторов...577
АЛО. Производные векторных функций...580
А. 11. Интегрирование векторных функций...581
А.12. Матричная алгебра ...581
А. 13. Сложение матриц...583
А. 14. Умножение матриц...583
А. 15. Детерминанты...584
А. 16. Ранг матрицы... 580
А. 17. Присоединенные и обратные матрицы ’ 587
А. 18. След матрицы ’ 533
Приложение Б. Якобиан манипулятора 589
Б.1. Метод векторного произведения... ... 589
Б.2. Метод дифференциального перемещения и вращения . . 592
Б.З. Определение якобиана из уравнений движения Ньютона —
Эйлера ... 598
Литература... 600
Предметный указатель...614
|
