IPARI ROBOTOK VIZSGÁLATI, ÁLLAPOT-FELÜGYELETI ÉS IRÁNYÍTÁSI RENDSZEREINEK FEJLESZTÉSE

Átírás

1 Bencsik Attila IPARI ROBOTOK VIZSGÁLATI, ÁLLAPOT-FELÜGYELETI ÉS IRÁNYÍTÁSI RENDSZEREINEK FEJLESZTÉSE Pannon Egyetem Informatikai Tudományok Doktori Iskola DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS Témavezető: Piglerné dr. Lakner Rozália Veszprém, 2008

2 IPARI ROBOTOK VIZSGÁLATI, ÁLLAPOT-FELÜGYELETI ÉS IRÁNYÍTÁSI RENDSZEREINEK FEJLESZTÉSE Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében a Pannon Egyetem Informatikai Tudományok Doktori Iskolájához tartozóan. Írta: Bencsik Attila Témavezető: Piglerné dr. Lakner Rozália Elfogadásra javaslom (igen / nem) (aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton % -ot ért el, Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve: igen /nem Bíráló neve: igen /nem (aláírás) (aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján % - ot ért el Veszprém, A doktori (PhD) oklevél minősítése a Bíráló Bizottság elnöke Az EDT elnöke

3 TARTALMI KIVONAT A KUTATÁSI MUNKA CÉLJA ÉS TÁRGYA. A kutatás célja a robotika karrendszerei területén pontossági és merevségi vizsgálati eljárások kidolgozása, és a robot működének egészére vonatkozó irányítási, állapot-felügyeleti rendszer megalkotása, továbbá a mester-szolga megoldások hidraulikus erővisszajelzésének fejlesztése és tervezésének, irányítási eljárásainak új megoldásokkal történő gazdagítása. A DISSZERTÁCIÓBAN BEMUTATOTT EREDMÉNYEK. A szerző kialakította az ipari robot kar pontossági jellemzők olyan rendszerét, amely egyrészt egységes definíció szerkezetben megadható, másrészt az ipari gyakorlatban közvetlenül felhasználható. A disszertáció új, a nyílt kinematikai láncú mechanizmusok területén használható szabályozott statikus erőgerjesztésű merevségi vizsgálati eljárást mutat be, amely automatikus mérésszabályozási és mérés-feldolgozási rendszert tartalmaz. A dolgozat tartalmazza azt a felismerést, hogy az impulzus és harmonikus erőgerjesztéses dinamikus merevségi vizsgálat a robottechnika karrendszereinél alkalmazható, és beilleszthető egy egységes szemléletű vizsgálati rendszerbe. A szerző felismerte a Kalman-szűrő kínálta lehetőségek robottechnikai alkalmazhatóságát és először használta robot mechanizmusok irányítási és állapot-felügyeleti problémáinak megoldására. A mester-szolga rendszerek területén kialakításra került az emberi képességek és készségek figyelembevételével a mesterkarok két technikai realizációs csoportja. Mindkettőn új az erő érzékelés területén korszerű informatikai megoldásokat felhasználó a hidraulikus erővisszajelzés koncepciója, amely a robottechnikában használatos korszerű ipari technikák alkalmazását biztosítja. A speciális feladathoz történő adaptációban sikerült fejleszteni az irányítás minőségét. Az eredmény újdonság-tartalma egy, a lágy számítási eljárások egy speciális ágát képező adaptív szabályozási módszer adaptív integrálása a törtrendű deriváltak alkalmazásával erősen csatolt, nemlineáris, részlegesen és ismert részleteiben is csak pontatlanul ismert, nem ismert külső erőhatások alatt álló rendszer irányításában. Konkrétan ez a törtrendű deriváltak eszközét használja: a kettős működésű hidraulikus munkahenger nem folytonos nemlinearitásainak és a dugattyú-henger tapadási súrlódásának hatását igyekszik kompenzálni a deriválás rendjének szabályozásával.

4 DEVELOPMENT OF TEST, MONITORING AND CONTROL SYSTEMS OF INDUSTRIAL ROBOTS Abstract: Research in the area of robot arm systems shows working-out of precision and rigidity test procedures of uniform definition structure that can be used directly in industrial practice. Using applicability of Kalman-filters in robot technique for the first time, the author has created a control status monitoring system for entire robot operation. In the area of development of hydraulic force response of master-slave solutions, the thesis includes two new arms and force response procedures. In another result, it wants to compensate the effect of piston-cylinder adhesion friction by regulation of derivation order in non-linear system control.

5 ENTWICKLUNG DER PRÜF-, ZUSTANDSÜBER- WACHUNGS- UND LEITSYSTEME DER INDUSTRIEROBOTEN Auszug: Die Forschung stellt die Ausarbeitung der in der Industriepraxis unmittelbar verwendbaren Genauigkeits- und Straffheitsprüfverfahren auf dem Gebiet der Robottechnik-Armsystems von einheitlicher Struktur dar. Die robottechnische Verwendbarkeit des Kalman-Filters das erste Mal anwendend hat der Ersteller eine Anleitungs-Zustandsüberwachungssystem zustande gebracht, das sich auf das Ganze der Funktion des Robots bezieht. Auf dem Gebiet der Entwicklung der hydraulischen Kraftrückmeldungen der Master-Slave- Lösungen enthält die Dissertation zwei neue Arme und Rückmeldungsverfahren. In einem anderen Ergebnis wünschen wir die Wirkung der Reibung der Kolben- Zylinderhaftung mit der Regelung der Ordnung der Derivation im Anleiten des nicht linearen Systems.

6 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Tisztelettel köszönetemet fejezem ki a Pannon Egyetem Informatikai Tudományok Doktori Iskolájának, Dr. Friedler Ferenc professzor úrnak a Doktori Iskola vezetőjének, egyéni PhD képzésem engedélyezéséért, kutatási munkám befogadásáért és gondozásáért. Köszönöm Piglerné dr. Lakner Rozália témavezetőm értékes tanácsait, munkám elvégzéséhez nyújtott jelentős segítségét. Köszönettel tartozom Dr. Rudas Imre professzor úrnak kutatási munkám megalapozásában kapott fontos segítségéért. Kutatási munkám végzése során sok segítséget kaptam a Budapesti Műszaki Főiskolától (korábban a Bánki Donát Műszaki Főiskolától) és munkahelyi vezetőimtől. Köszönöm valamennyi munkatársamnak, hogy segítették munkámat. Köszönöm feleségemnek és lányomnak, hogy biztosították a nyugodt hátteret munkavégzésemhez.

7 TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS 1 2. A KUTATÁS CÉLJA, MÓDSZEREI Kutatási feltételek Kutatási célkitűzések Kutatási módszertan 4 3. SZAKIRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ, MEGALAPOZÁS Az ipari robot diagnosztika általános kérdései Ipari robotok állapotvizsgálata, irodalmi feltárás és elemzés Ipari robotok állapot-felügyelete, helyzetkép és elemzés Ipari robot irányítási és felügyelő rendszerének problémája A mester szolga irányítási rendszerek Soft computing az adaptív irányításban KÍSÉRLETI RÉSZ, KIFEJTÉS Állapotvizsgálat a pontosság megadásával Ipari robotkar merevségi vizsgálatai Állapot-felügyelet a Kalman-szűrő robottechnikai alkalmazásával Egységes vezérlési és felügyelő rendszer Robotvezérlés bizonytalan dinamikus paraméterek esetén Javított vezérlési algoritmus Mester-szolga irányítási rendszerek fejlesztése A differenciális hidraulikus munkahenger adaptív irányításának továbbfejlesztése ÖSSZEFOGLALÁS SZAKIRODALOM TÉZISEK THESIS 101

8 1. BEVEZETÉS A robotok vizsgálatának szerepe a pontos és igényes számítógéppel tervezett robotos rendszerek kialakításának szempontjai miatt is hangsúlyos. E téren lényeges annak egzakt meghatározása, hogy egy adott technológiai feladathoz milyen ipari robotot válasszunk, vagy más megközelítésben, egy adott ipari robot a feladat elvégzésére alkalmas, vagy sem. Az ipari robotok, a komplex automatizálásban általában nyílt kinematikai láncú szerkezeti felépítésük miatt váratlan meghibásodásuk esetén veszélyt jelenthetnek a környezetre. E miatt került előtérbe a robot üzeme közbeni folytonos felügyelet, a rendszeres állapotvizsgálaton alapuló, a meghibásodások megelőzését szolgáló fenntartási rendszerek iránti igény. Más szóval kialakult és fejlődik az ipari robot diagnosztika minden területe. Az emberi kézügyesség gyorsaság és tanulékonyság terén meghaladja a jelenlegi vezérlések képességeit. A manipulátorok alkalmazásának kiszélesítését jelentette, amikor az emberi intelligencia lehetőségeit a gépi képességek alkalmazásával, összekapcsolt rendszerek megalkotása került előtérbe az úgynevezett mester-szolga irányítási rendszerek kialakításában, melyeket számos speciális területen (űr-, mélytengeri kutatás, nukleáris technika, vulkanológia stb.) alkalmaznak. A közönséges kapcsolókból álló elektromos vagy hidraulikus rendszerek irányításakor probléma, hogy a kapcsolók állása nem ad invertálható leképzést az emberi karizmok törzshöz viszonyított állása és a munkatér között, emiatt ezen eszközök alkalmazása mindig a kezelő látórendszerét terheli, s nem ad lehetőséget arra, hogy az eszköz irányítását izomfeszültségekizomelmozdulások viselkedését megtanulva, a szerzett tudást a reflexek szintjén hasznosíthassa. Összegezve: A korábban említett nagy költségű berendezések gazdaságosan nem használhatók egyszerűbb ipari folyamatoknál, például építőipari alkalmazásoknál. Ezért egy olyan kutatási irány megfogalmazása mutatkozott célszerűnek, ahol korszerű méréstechnikai és informatika megoldásokkal kisköltségű ipari megoldások kifejlesztésével lehet megvalósítani mester-szolga manipulátoros irányítási rendszert az erő érzékelés és erőérzet keltés megvalósításával. 1

9 2. A KUTATÁS CÉLJA, MÓDSZEREI 2.1. KUTATÁSI FELTÉTELEK A fentiekben leírtak indokolták a témaválasztást, továbbá az, hogy munkahelyemen az ipar igényeihez igazodóan, sok éve végzünk ipari robotokkal kapcsolatos kutató-fejlesztő munkát. Ennek keretében elvégeztük ipari robot teljes körű prototípusvizsgálatát, kutatás-fejlesztési célprogram keretében kialakítottunk egy olyan robotvizsgáló laboratóriumot, amely hidraulikus hajtású robotok vizsgálatára szolgál, a robotkar és a hidraulikus rendszer paramétereinek mérései területén. Pályázati támogatással kifejlesztettük ipari robot-manipulátorok működtetéséhez az erő-visszajelzéses mesterkar két olyan generációját, a hozzá tartozó mesterszolga irányítási rendszerrel együtt, amelyek kisköltségűek és közvetlen ipari alkalmazásba vonhatók. Ezen munkák témavezetése és megvalósítása biztosították azt a kutatási hátteret, amely az értekezésben közöltek kidolgozását lehetővé tette. A prototípus vizsgálathoz kidolgozott eljárások tudományos eredményeit foglaltam össze az 1990-ben megvédett egyetemi doktori értekezésemben, melynek tárgya az ipari robotok méréstechnikai vizsgálata volt KUTATÁSI CÉLKITŰZÉSEK A kutatás célja a robotika karrendszerei területén pontossági és merevségi vizsgálati eljárások kidolgozása, és a robot működének egészére vonatkozó irányítási, állapot-felügyeleti rendszer megalkotása, továbbá a mester-szolga megoldások hidraulikus erővisszajelzésének fejlesztése és irányítási eljárásainak új megoldásokkal történő gazdagítása. Az állapotvizsgálat területén a téma legfontosabb irodalmaira alapozva olyan fogalmak és vizsgálatok megalkotása volt a cél, amelyek elsősorban a robotkar-mechanika jellemzőit tárják fel, de oly módon, hogy a mérések eredményei a robot egészére vonatkozó információkat adjanak. Cél volt, hogy a pontossági jellemzők, és azok mérőszámai együttesen jellemezzék az egész robot működési tulajdonságát. Ennek megfelelően dolgoztuk ki a statikus és dinamikus jellemzők definíciójának meghatározását és méréstechnikai megoldásainak kimunkálását is. Kutatási cél volt továbbá olyan statikus és dinamikus merevségi jellemzők és azok méréstechnikai realizációinak kidolgozása, amelyek egyrészt a robotkar-mechanika tulajdonságairól tájékoztatnak, másrészt robot-specifikusak. 2

10 A statikus és dinamikus merevségi jellemzők bemutatásának célja, hogy olyan definitív adatokat szolgáltat, amely az adott ipari robot alkalmazási területének definiálásában segít, és része lehet egy állapotvizsgálaton alapuló minősítési eljárásnak. Az ipari robotok, a komplex automatizálásban általában nyílt kinematikai láncú szerkezeti felépítésük miatt váratlan meghibásodásuk esetén veszélyt jelenthetnek önmagukra és a környezetre. E miatt került előtérbe a robot üzeme közbeni folytonos felügyelet, a rendszeres állapotvizsgálaton alapuló, a meghibásodások megelőzését szolgáló fenntartási rendszerek iránti igény. A robotirányításba integrált állapot-felügyelet megalkotásakor cél volt, hogy egy sztochasztikus diszkrét idejű lineáris modellen alapuló optimális állapotbecslő jöjjön létre a diszkrét Kalman-féle szűrővel, valamint a robot hajtásához szükséges bemeneti nyomatékok on-line módon legyenek számolhatók a csukló koordináták és sebességek torzítatlan, minimális varianciájú becsléseinek és a korrigált gyorsulásoknak a függvényében, ahol az állapotbecslést a diszkrét Kalman-féle szűrő adja meg. Az erő-visszajelzéses mesterkar és a mester-szolga (master-slave) irányítási rendszer kifejlesztéséhez: elsőként a mester-szolga rendszerek elméleti alapjainak feltárása volt a cél, amely kísérleti vizsgálatok kialakítását és mérések elvégzését követelte a mesterkar konstrukciós típusainak és az erővisszajelzés működtetési sajátosságainak feltárása érdekében. Kutatási-fejlesztési célként fogalmaztuk meg két mesterkar konstrukció megalkotását, az antropomorf (az emberi kar méreteinek megfelelő) és a joystick-szerű mechanikai felépítést követve. Kutatási cél volt az erővisszajelzés létező módszereinek tapasztalatait értékelve olyan új erőérzet keltési megoldások kialakítása, amely erőérzékelésnél korszerű informatikai fejlesztéseket használ fel, míg az erőérzet keltés a korszerű ipari gyakorlatban használatos gazdaságos megoldáshoz igazodik. Az erő-visszajelzéses mesterkar konstrukciójának továbbfejlesztését koncentrált paraméterű rendszerek klasszikus modellezéses vizsgálatával kívántam megalapozni, melynek eredményeit felhasználtam a mester szolga irányítási rendszer kifejlesztésekor. A végrehajtó szerv, egy hidraulikus hajtású master-slave rendszernél a robot manipulátorban és az erőérzet-keltő mesterkarban is azonos esetünkben differenciális (kettős működésű) hidraulikus munkahenger. A hidraulikus szervo szeleppel működtetett kettős működésű munkahenger modellezési megoldásának fejlesztésével az irányítás minőségének javítása volt a cél. 3

11 2.3. KUTATÁSI MÓDSZERTAN A kutatási módszerek kiválasztásánál a célkitűzésekben megfogalmazottak szerinti szempontok kerültek elsősorban figyelembe vételre. Ez tehát azt jelenti, hogy a nyílt kinematikai láncú ipari robotkarhoz illeszkedtek azok a módszerek, amelyek a klasszikus gépvizsgálati elvekből kiindulva a feladathoz tartozó új megoldásokat adták. Ezek a kar vizsgálati, méréstechnikai módszerek melyek alkalmazása az egyetemi doktori értekezésben, illetve azt követően nemzetközi publikációkban kerültek bemutatásra később a mesterszolga rendszerek fejlesztésének két generációja során hasznosultak. További szempont volt a módszerek kiválasztásánál, hogy a mester-szolga rendszerek különféle technológiai folyamatokban nyernek alkalmazást, elsősorban az itt bemutatott kutatási munkában mindenképp a robosztus, nagy teherbírású klasszikus ipari területeken. Az alkalmazott módszerek köre ennek megfelelően az alábbiak szerint csoportosítható. A statikus pontossági és merevségi vizsgálatoknál mechanikai és a méréstechnikában használatos alkalmazott matematikai eszközöket használtam. A dinamikus merevségi vizsgálatok analízisénél mind az impulzus erőgerjesztéses, mind a harmonikus erőgerjesztéses megoldásnál a frekvencia tartományban alkalmazható matematikai apparátus került alkalmazásra. A robot irányítás és felügyelet kifejlesztésekor a Kalman szűrő alkalmazása jellemezte a munkát. Az összekapcsolt robot manipulátor és mesterkar fejlesztésekor használatos kutatási módszerek kiválasztása: a fejlesztendő objektum rendszertechnikai modellezésével, a paraméterek elméleti és méréstechnikai meghatározásával, valamint a már elkészült mesterkar képességeinek méréstechnikai vizsgálatával, a modell folyamatos összevetése és pontosítása révén, a végleges megoldás kidolgozása érdekében történt. A kettős működésű munkahengert tartalmazó irányításhoz a választott matematikai módszer a skálázható lágy számítási eljárások lényeges elemeit használja. A hidraulikus munkahenger leírásárára analitikus modellt alkalmaztunk a dugattyú nulla sebességű beállási fázisában a differenciálási fok és egy speciális külső adaptív hurok hangolásának az egyidejű alkalmazásával. 4

12 3. SZAKIRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ, MEGALAPOZÁS Ebben a fejezetben az értekezés tárgyalási sorrendjében található meg a kiindulást és megalapozást jelentő irodalmi összefoglaló olyan sajátos tárgyalásban, amely már a kutatás megvalósítása szerinti feldolgozást vetíti előre. Az áttekintéseket nem a teljesség, hanem a célszerűség motiválta, amely világossá teszi a kutatás orientációját és segít az újszerűség megítélésében is AZ IPARI ROBOT DIAGNOSZTIKA ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI A ipari robotok, mint a komplex automatizálás eszközei, nélkülözhetetlen szerepet töltenek be az ipar különböző területein. E nagy értékű berendezések nyílt kinematikai láncú szerkezeti felépítésük miatt is váratlan meghibásodásuk esetén komoly zavart okoznak a rendszerben. Mindezek következtében kialakult a robot üzeme közbeni folytonos felügyelet, a rendszeres állapotvizsgálaton alapuló, a meghibásodások megelőzését szolgáló fenntartási rendszerek kidolgozásának igénye. Az ipari robot elvileg kétféle előírásos és hibás állapotban lehet. Előírásos állapotban van a robot akkor, ha a vele szemben támasztott, a műszaki előírások meghatározta összes követelménynek megfelel. Minden ettől eltérő esetben hibás állapotról beszélünk. Diagnózis készítésén a robot állapotának meghatározását értjük. A diagnosztikai rendszer a diagnosztizálás elvét, módszereit, szervezését, valamint eszközeit foglalja magában. A diagnosztikai rendszereket az állapot-meghatározás módja szerint osztályozhatjuk. Állapotfelügyeletről beszélünk akkor, ha a diagnózist a berendezés normál üzemmódja közben készítjük el. (Az állapotfelügyelet is lehet tesztrendszerű, ekkor azonban követelmény, hogy a vizsgálójelek a berendezés normál üzemmódját, rendeltetésszerű használatát ne akadályozzák.) Az állapotfelügyeleti rendszereken belül elkülöníthetünk on-line és off-line felügyeletet. Ha a diagnózist a működési folyamat során valósidőben készítik el, és eredményét a berendezés irányítási folyamatába közvetlenül visszacsatolják, akkor on-line állapotfelügyeletről beszélünk. Ha a diagnózis eredményét nem közvetlenül csatolják vissza, hanem alapadatként dolgozzák fel, off-line állapotfelügyeletről beszélünk. Azt a diagnosztikai rendszert, melyben az állapotot a rendeltetésszerű használaton kívül határozzák meg, állapotvizsgálatnak nevezzük. 5

13 ábra. A diagnosztika feladata és felosztása 3.2. IPARI ROBOTOK ÁLLAPOTVIZSGÁLATA, IRODALMI FELTÁRÁS ÉS ELEMZÉS A robot állapot-meghatározás alapvető problematikája az előírásos állapotnak megfelelő követelmények rögzítése, az ezen követelmények megadására szolgáló jellemzők kiválasztása. Ily módon a diagnosztikai kutatások alapjai kezdetben nagymértékben összefolytak a robotminősítés, illetve szabványosítás kérdéseivel. Az e területeken, mint például a Szovjetunióban E.G. Nahapetyan [87], Németországban Warnecke [125, 126, 127] vezetésével folyó többéves kutatások, illetve a nyolcvanas években megszületett szabványok [63, 64, 65, 67] ellenére sem alakultak ki egységesen elfogadott jellemzők. Eltérések mutatkoznak a jellemzők megválasztásán túl ezek értelmezésében, megadási módjukban, így természetesen a vizsgálati módszerek is különböznek egymástól [1, 40]. Közvetlen diagnosztikai jellemzőként értelmezzük azokat a jellemzőket, amelyek a robot alkatrészeinek gyártási dokumentációiban rögzítettek. Ezek hagyományos mérési módszerekkel a hiba észlelését követő szétszerelés után ellenőrizhetők és nem robotspecifikusak. Az irodalom a javasolt jellemzőket általában két csoportra osztja: mérhető és nem mérhető jellemzőkre. Diagnosztikai, állapotvizsgálati szempontból a mérhető ipari robotjellemzők jöhetnek szóba. A robotok mérhető specifikációs jellemzői, illetve azok a mérhető fizikai jellemzők, amelyek szoros kapcsolatban állnak valamely robot specifikációs jellemzőivel, közvetett diagnosztikai jellemzőként használhatók fel. Németországban hoztak létre először olyan ipari robotvizsgáló állomást, mellyel ezen jellemzők többsége meghatározható [23, 24, 25]. 6

14 Egy másik kutatási irány, olyan módszerek kidolgozása, melyek nem igénylik vizsgáló állomás kialakítását, így ipari alkalmazásuk könnyebben megvalósítható. Eredményeiket az E.G. Nahapetyan által szerkesztett cikkgyűjtemények tartalmazzák [86]. Vizsgálataikban kitérnek a kinematikai jellemzők ezen belül is különös hangsúllyal a menetidő, a dinamikai jellemzők, a teljesítmény és a termikus jellemzők meghatározására. Mindezek a vizsgálatok alapvetően a robot minősítés és átvétel céljait szolgálják, diagnosztikai szempontból pedig a rendszeres, külső diagnosztikai eszközökkel megvalósított, a működőképesség meghatározását célzó állapotvizsgálatként jöhetnek szóba. További vizsgálatra szorul e területen, hogy ezeken a mérhető jellemzőkön túl milyen mennyiségek szerepelhetnek még diagnosztikai jellemzőként, a vizsgálati eredmények alapján, mennyiben következtethetünk a meghibásodások okaira, nem laboratóriumi körülmények között is a megfelelő pontossággal elvégezhető új eljárások alkalmazhatók a jellemzők meghatározására. Az ipari robotok rendelkeznek olyan belső hardver, illetve software diagnosztikai eszközökkel, melyek bizonyos jellemzőkre nézve rendszeres állapotvizsgálatot, illetve a működőképesség időszakos ellenőrzését biztosítják, amely a különböző vezérlési üzemmódokban (pl. kézi működtetés, tanítás) működtethető, a képernyőn és a tanító dobozon pedig a diagnosztikai információk jelennek meg. Vannak olyan robotvezérlők, ahol a hibajelzés, vagy a hibás működés észlelése után vizsgáló programok indíthatók, melyek segítségével bizonyos hibák lokalizálhatók. Megállapítható, hogy a hiba melyik csuklónál keletkezett, valamint milyen jellegű a szervohiba. A robotkar vizsgálatai közül elsőként az ipari robotok pontossági jellemzőit mutatom be. A cél az, hogy a már elért eredményekre támaszkodva olyan fogalmi rendszert hozzunk létre, amelyek lehetővé teszik különféle kialakítású és technológiai feladat végrehajtására alkalmas robotok pontossági jellemzőinek egységes tárgyalását, ezek megadásának és meghatározásának módját. Az ipari robotok pontossági jellemzővel, illetve ezek meghatározási és megadási módjaival gyártmányismertetőkben, gépkönyvekben, szabványtervezetekben, vagy már elkészült országos szabványokban [64, 66] és publikációkban találkozhatunk. A dolgozatban a robotdinamikai szakirodalomhoz igazodva a pontosság terminológiáját használom a méréstechnikában szokásos hiba helyett. A különféle robotkatalógusokat és prospektusokat átvizsgálva pontossági jellemzőként általában a pozicionálást, ritkábban emellett az ismétlési pontosságot találjuk. További problémát jelent, hogy a felhasználók nem kapnak módszert ezen jellemzők mérésére, meghatározására, azaz nem lehet tudni, hogy milyen módon és körülmények között történt ezek meghatározása. 7

15 Inagaki [58] az ipari robotok szabványosítási kérdéseivel foglalkozó cikkében is felteszi azt a kérdést, hogy ezen terminológiák alapján leírhatók-e minden ipari robot pozicionálási pontosságának jellemzői. A válasz nyilvánvalóan nemleges, hiszen, amint ő is megállapítja, a terminológia csak a jelentéseket fogalmazza meg, de nincs magyarázat ezek numerikus leírására. Az egyes jellemzők kapcsolatát a ábrán látható módon adja meg ábra. Pontossági jellemzők kapcsolata. Tevékenység ; közép hibabecslés További hiányosságként lép fel az, hogy ezek a jellemzők nem minden technológiai feladat elvégzésének pontosságára adnak alkalmas mutatót. A Németországban folytatott robotvizsgálati kutatásokban nagy szerepet kaptak a pontossági jellemzők [4]. A pozicionálási és ismétlési pontosság mérésére mérési módszert [23, 127], illetve mérőgépet [24] alakítottak ki. E jellemzők meghatározásánál eleinte döntően a szerszámgépekre kidolgozott pontossági előírásokra támaszkodtak. A mérőgép alkalmas egyenes pályamenti pályareprodukálási pontosság mérésére is, ahol a pályareprodukálás pontosságára a tanított és a visszajátszott görbe közötti eltérésből következtet. Bár ez a módszer már újabb pontossági jellemző mérését is lehetővé teszi, hiányossága, hogy egyrészt csak egyenes pálya mentén alkalmazható, másrészt nem veszi figyelembe az olyan jellegű hibát, amelynél a robot ugyan leírja az előírt pályát, azonban nem az előírt sebességgel [70]. Az eddigiekben tárgyalt esetek közös vonása, hogy az orientációs pontossággal foglalkoznak. Ennek meghatározására Mc Entire [80] a következő, egyúttal a pozicionálási pontosság jellemzőjének mérésére is alkalmas módszert dolgozott ki. 8

16 ábra. Mc Entire módszerének illusztrációja A méréshez egy viszonylag egyszerű, hat mérőórából álló mérőrendszert használt. A mérőórák páronként egy a robot megfogója által tartott mérőkocka három egymásra merőleges lapját mérik. Az előírt és a tényleges helyzetben leolvasott mérőóra állások alapján egy számítógépre adaptált számítási algoritmus segítségével határozza meg mindkét esetben a kocka középpontjának helyvektorát és a középpontból egy kiválasztott csúcspontba mutató vektort ( ábra). Ezek alapján a pontossági jellemzőket a következőképpen definiálja: POZICIONÁLÁSI PONTOSSÁG: P = R r R t, ahol R r a lejátszott pozíciók átlagvektora, míg R t a tanított pozíció helyvektora. ORIENTÁCIÓS PONTOSSÁG: A = N r N t a szöghiba vektora, ahol az indexek a fentieknek felelnek meg. POZICIONÁLÁS ISMÉTLÉSI PONTOSSÁGA: a pozíció átlag és az ismételt pozíciók eltérése. Mc Entire módszere azonban nem minden esetben egyértelmű, ahogyan ezt Mc Callion és Pham Duc Troung megmutatja [81]. Ugyanis, ha a kocka az orientációt jellemző N körül fordul el, az eljárás nem mutatja ki az orientációs hibát. Ennek elkerülésére az előírt helyzetet a ténylegesbe vivő forgatás tengelyének egységvektorával és az elforgatás szögével javasolják az orientációs hiba megadását. Adott mozgáspálya ismétlési pontosságának becslésével foglalkozik Ananyev [5]. Publikációjában elméleti trajektóriának mozgáspályának tekinti azt a térbeli görbét, amelyet a robotkéz erőhatások nélkül, ténylegesnek pedig azt, amelyet erők hatására ír le. Az elméleti és a tényleges pálya megfelelő pontjainak különbségét dinamikus hibának nevezi, és módszert ad ennek matematikai becslésére. A bevezetett fogalom és becslési módszer már jól jelzi azokat az újabb törekvéseket, amelyek a robotok pontosságának mélyebb vizsgálatára történnek [3, 10]. Hátránya, hogy elméleti pályaként olyan görbét választ kiindulási alapul, amely a gyakorlatban nem létezik, így a pontosságra ily módon adott becslés inkább elméleti, mint gyakorlati jelentőséggel bír. A pontossági kérdésekkel foglalkozó ezen közel sem teljes áttekintés után összességében a következőket állapíthatjuk meg: nem egységes az irodalom abban a kérdésben, hogy 9

17 milyen jellemzőket válasszanak a pontosság jellemzésére. Ennek következtében nincs olyan egységes fogalmi rendszer, amely a különféle robotokra egyaránt alkalmazható lenne. Az alkalmazott pontossági jellemzők definícióinak megalkotásával a kutatás ezen problémák megoldását célozta IPARI ROBOTOK ÁLLAPOT-FELÜGYELETE, HELYZETKÉP ÉS ELEMZÉS Az egyre kevesebb emberi felügyeletet igénylő komplex gyártó rendszerek elterjedése az ipari robotoknál is előtérbe helyezte a működés közbeni folyamatos állapotfelügyelet iránti igényt. A felügyelő rendszereknek kettős igényt kell kielégíteniük: a váratlan meghibásodások észlelését és ennek alapján a robot leállítását (ALARM funkció), valamint a meghibásodások trendjének követését, a hibák előrejelzését. A már említett korszerű robotok vagy nagy értékű automatikus rendszerek rendelkeznek állapotfelügyeleti funkcióval, ezek váratlan meghibásodások jelzésére alkalmasak [101]. Jellemző, hogy vészleállítást idéznek elő meghibásodáskor, és noha on-line működnek, előrejelzésre nem képesek. Működésük összehasonlító jellegű, az előre megadott jellemzőket vetik össze a pillanatnyi értékekkel, s ha egy (szintén előre megadott) hibanagyságot túllép a robot állapotjellemzője, a rendszer vészleállítást indikál. A diagnóziskészítés mérőrendszere a robot beépített érzékelőinek jeleit használja fel. A hibák részleges lokalizálásához a gyártó megfelelő útmutatásokkal szolgál. Az egyszerűbb diagnosztikai funkciókkal rendelkező robotok állapotának nem megengedhető változásait általában hardverszinten jelzik. A vizsgálóprogramokkal ellenőrizhetők: a vezérlőtábla, a tanítódoboz és a kimenetek, a memória, a CPU és az I/O csatornák. A tesztprogramokkal megállapítható, hogy a hiba hol fordul elő, illetve azonosítható a szervohiba jellege (pl. túlfutás pozitív vagy negatív irányba, ciklusidő-túllépés). A korszerű robotok a belső állapotot érzékelő mérőrendszerrel (pozíció, sebesség, nyomás, nyomaték, áram, feszültség) és a kimenőjelek időbeli változásának értékelésére és összehasonlítására is alkalmas számítógéppel rendelkeznek, amely egyúttal a diagnosztikai rendszer alapja is [21]. Ezeknél, a robotoknál a hardverszintű hibaüzenetek mellett a hibaüzenetek a terminálon szöveges formában is megjelennek. A programozási nyelvek is számos hibaüzenetet tartalmaznak [94]. A HIBAJELZÉSEK ELVILEG A KÖVETKEZŐKRE TERJEDNEK KI: üzemállapot-kijelzések programozási hibák adatátviteli hibák a robotok képességeit meghaladó utasítások stb. 10

18 3.4. IPARI ROBOT IRÁNYÍTÁSI ÉS FELÜGYELŐ RENDSZERÉNEK PROBLÉMÁJA A robotirányítás problémája a nem lineáris és csatolt rendszer dinamikájában rejlik. Az egyik legjobban ismert robotirányítási megoldás a számított nyomaték-szabályozás módszere, amely magában foglalja a megfelelő bemenet általános erőinek számítását a robot dinamikus modellje alapján, az általános koordináták mért értékeinek, a sebességek és az általános gyorsulások számított értékeinek segítségével [124]. Ha a robotos manipulátor-modell és a terhelés pontosan ismert, az érzékelők és a működtető szervek hibamentesek, valamint a környezet zajmentes, a számított nyomaték módszer biztosítja, hogy a pályagörbe-hiba nullára csökkenjen. Gilbert és Ha megmutatták [46], hogy a számított nyomaték-szabályozás módszere robosztus és kis modellezési hibához vezet. A gyakorlatban azonban a rendelkezésre álló robotmodell csak a mozgásegyenlet közelítése. A modell és a mozgásegyenletek közti eltérések több olyan tényezőből keletkezhetnek, mint pl. pontatlanságok a tehetetlenségekben, tömegekben és geometriában, bizonytalanságok a súrlódási kifejezésekben és a szükséges modellegyszerűsítés. Ezen kívül a robot változó és nem ismert terhelést hordoz, az érzékelők és működtető szervek gyakran ki vannak téve véletlen zavaroknak. Az alábbiakban a robotmanipulátor számára tervezett elvárt pályagörbe követéséhez szükséges irányítás tervezési problémáiról szólunk. ALAPVETŐEN HÁROM VEZÉRLÉSI SÉMA JAVASOLHATÓ: Az első: a számított nyomatékok módszere, ahol a robotos manipulátor hajtásához szükséges bemeneti nyomatékok on-line módon számítottak, mint az optimális torzítatlan, minimális varianciájú csomóponti koordináták becsléseinek és a sebességeknek, valamint a javított gyorsulásoknak a függvényeként. Egy sztochasztikus diszkrét idejű lineáris modellen és korábbi megfigyeléseken alapuló optimális állapotbecslő jön létre a diszkrét Kalman-féle szűrővel [91]. A szabályozási módszerek második csoportja az első továbbfejlesztése. A szabályozási rendszer továbbfejlesztésének ötlete egy jobb referencia-pályagörbe használata minden munkaciklusban történő linearizációhoz. Két út adott ezen újralinearizálási folyamat elvégzésére. Az újbóli linearizáció a becsült pályagörbe és a kiterjesztett Kalman-féle szűrő körül történik [90]. A harmadik új szabályozási módszer a nemlineáris visszacsatolt szabályozó tervezésének problémáját célozza meg bizonytalan dinamikus paraméterek és egyéb zavarok esetén. Ebben a szabályozási algoritmusban a robotos manipulátor hajtásához szükséges bemeneti nyomatékok szintén on-line módon számoltak, mint a csomóponti koordináták és sebességek torzítatlan, minimális varianciabecsléseinek és sebességeknek, valamint a javított gyorsulásoknak a függvénye, de az állapotbecslést diszkrét Kalman-féle szűrő adja meg. Ez a szűrő maguknak a paramétereknek a figyelembevétele nélkül veszi figyelembe a bizonytalan paraméterek hatását [37, 121]. 11

19 A hiba egy robot-manipulátorban vagy érzékelőben, amit a visszacsatoló jel biztosítására használnak, robotos szabályozási rendszerben komoly romlást okozhat a rendszer dinamikus viselkedésében. Ha a hiba fokozatosan jelentkezik, és korai állapotban kerül feltárásra, a robot hibás alkatrésze megjavítható vagy kicserélhető, mielőtt komoly kár keletkezne. A hiba detektálására és lokalizálására szolgáló valós idejű robot-manipulátor felügyelő rendszereket mutat be a [92, 93] irodalom. A hibaérzékelés problémája hipotézis vizsgálati problémaként fogalmazódik meg a robot- manipulátor nulla hipotézisként történő értelmezésével. A robot- manipulátortól érkező aktuális hibajel ellenőrzésre kerül a nulla hipotézissel szemben egy meghatározott szignifikancia szinten [34, 61]. A hibajel, azaz az újítási sorozat a tényleges robotos manipulátor kimenet és az előző megfigyeléseken alapuló torzítatlan, minimális varianciájú becslése közti különbségként van definiálva. A becsléseket a Kalman-féle szűrő állítja elő a robot diszkrét idejű lineáris modelljének a segítségével, amit a szokásos másodrendű differenciál vektoregyenletből kapunk linearizálás és diszkretizálás után. Számos lehetséges statisztikai próba van. Ezek egyike a khi-négyzetes próba, amely megvalósítható robotoknál, de közvetlenül nem hordoz információt arról, hogy melyik szabadságfokban jelentkezett a hiba. Ilyen hibahely-azonosítási módszert biztosít a javasolt tesztmódszer. A hiba lokalizálásának vagy az érzékelési hibáknak az ellenőrzési problémája a variancia elemzésének problémájaként fogalmazódik meg, a rendszer szabályos működését tekintve, mint a nulla hipotézis, ezek eredményeit foglalja össze a kísérleti fejezet 4.3. pontja A MESTER SZOLGA IRÁNYÍTÁSI RENDSZEREK Az iparban elterjedt robotokkal a gyakorlatban előforduló feladatok elég széles skálája (festés, szerelés, anyagmozgatás, szerszámgép-kiszolgálás stb.) már kielégítően megoldható. E feladatokat azonban minden esetben az jellemzi, hogy azokra olyan részben a külső feltételek biztosítása által egyszerűsítő megkötések tehetők, amelyek miatt az alkalmazott vezérlések részéről nem merül fel az emberi készségekkel összevethető szintű intelligencia igénye. Bár a robotok szenzorokkal és nagyobb kapacitású vezérlésekkel való felszerelésével számottevő kutatások folynak azok intelligenciájának az élő szervezetekét megközelítő szintre való hozására, az e téren elért eredmények gazdaságossága rövidebb távon nem várható. Azon kifinomult technológiai feladatok megoldására, amelyek az emberi szervezet látásizommozgás-erőkifejtés koordinációs képességeit maximálisan igénybe veszik, nehéz teljesen automatizált rendszert elképzelni. Ilyen területeken használhatók az ún. master-slave : mester-szolga rendszerek (mesterkarral vezérelt manipulátorok), amely rendszerek a szolga manipulátor vagy robot nagy fizikai erejét ötvözik az irányítási feladatra sokkal alkalmasabb emberi készségekkel [83, 100]. 12

20 Az emberi kar és intelligencia erőforrásai, készségei A fenti problémák kezelésében az emberi kézügyesség gyorsaság és tanulékonyság terén meghaladja a jelenlegi vezérlések képességeit. Biológusok becslései szerint az emberi kar, mint szenzor az izomfeszültség valamint a kar törzshöz viszonyított mozgásának érzékelésére Hz tartományig, míg a taktilis érzékelés esetén 320 Hz értékig (vibrációk, nyomófeszültségek) képes kielégítő érzékelésre. Az emberi kar kb Hz gyakorisággal képes egy mesterkar által érzékelhető információk ( parancsok ) kiadására [26, 27, 79]. Maga az emberi kar, amely ezeket a funkciókat megvalósítja kinematikai szempontból is rendkívül összetett nemlineáris rendszer, amelynek matematikai leírásával sokan foglalkoztak [33, 45, 82, 99, 118], míg az egyszerre több szabadságfok menti mozgást biztosító új motorok fejlesztése terén is történnek előrelépések [73]. A mesterkarral való manipulátor-vezérlés feladata első látásra bonyolultnak látszik, azonban itt aknázható ki az élő szervezet nagy tanulékonysága és az emberi intelligencia előnye a tisztán gépi vezérléssel szemben: a külső kontakterők hiányát könnyű biztosítani olymódon, hogy a megfigyelő szemmel ellenőrzi: hozzáér-e a manipulátorral mozgatott anyag/szerszám a környezetéhez; az ilyenkor maradó gravitációs erők/nyomatékok alapján ugyanúgy megtanulható a rendszer önsúlyának hatása, mint ahogy egy élőlény megtanul állni, vagy bizonyos tárgyakat jól megfogva egyensúlyban tartani [88, 98]; a vezérlésnek több szempontból is adaptívnak kell lennie: a hordott munkadarab súlyától is függ a gravitációs rész; a kontakt F erők és M nyomatékok mindig az adott feladattól függnek és szoros csatolás is kialakulhat köztük szintén a konkrét eset függvényében (pl. aszimmetrikusan megfogott gerenda két végén akad; az egyensúly ekkor különböző nagyságú kontakt erők mellett is fenntartható a velük arányosan növelt forgatónyomaték mellett stb.); u T u T u( g) T az emberi karizmoknak egy eredő T SC transzlációs, R SC rotációs és G SC gravitációs mátrixokkal jellemezhető dinamikai rendszert kell megtanulniuk kezelni; az adott dinamikai rendszerhez egy eredő r( u, ) O( u ) kinematikai rendszer tartozik, amely a slave rendszer mozgását közvetlenül figyelve hasonlóan megtanulható, mint egy biológiai rendszer saját szem-végtagok mozgáskoordinációja; a megtanult rendszer vezérlése már az emberi reflexek szintjéről történik egyéb megszokott mozgásaink (pl. autóvezetés) végrehajtásához hasonlóan [128]; bár a rendszer kezelésének megtanulási folyamatát gyorsíthatja, ha a master kar geometriai értelemben azonos vagy hasonló a slave karhoz, a kielégítő működés feltétele kinematikai és dinamikai értelemben is csak az S:= u q mátrix invertálhatósága a slave manipulátor teljes munkaterében, amely mátrix a du és a dq lokális koordináták közti kapcsolatot teremti meg; 13

21 a fentiek miatt lehetséges, hogy egy adott geometriai szerkezetű mesterkarral attól jelentősen különböző szerkezetű slave manipulátor irányítása is tág feltételek mellett megoldható [49]; az irányítást végző személynek csak egyszer kell megtanulnia egy adott masterslave rendszer eredő jellemzőit; utána a megszerzett tudás automatikusan alkalmazható ugyanúgy, mint ahogy egy biológiai rendszer a saját jellemzőinek ismeretében különböző súlyú és méretű tárgyak biztonságos manipulálására is alkalmas; az adott master-slave rendszer kezelésének megtanulása és alkalmazása lényegesen egyszerűbb, mint a hagyományos, csak bizonyos szabadságfokok adott gyorsaságú mozgását vagy megállítását lehetővé tevő közönséges kapcsolókból álló elektromos vagy hidraulikus rendszerek irányításának elsajátítása. Az egyszerűbb rendszereknél a kapcsolók állása nem ad invertálható leképezést az emberi karizmok törzshöz viszonyított állása és a munkatér között, emiatt ezen eszközök alkalmazása mindig a kezelő látórendszerét terheli, s nem ad lehetőséget arra, hogy az az eszköz irányítását izomfeszültségek-izomelmozdulások rendszer viselkedését megtanulva a szerzett tudást a reflexek szintjén hasznosíthassa [107, 114] A mesterkarok konstrukciója és főbb jellemzői A mesterkarral irányított manipulátor rendszerek fejlesztésére fordított költségeket a fejlett ipari országok eredetileg nagyobb távlati célok érdekében (atomerőművekben, mélytengeri munkálatokban vagy a világűrben alkalmazott eszközök) áldozták fel. A távvezérlésre használt kezdeti konstrukciókban a mesterkar a slave manipulátor 1:1 arányú másolata volt geometriai értelemben, míg az összeköttetésük direkt mechanikai csatolásokon alapult [52]. A később kifejlesztett változatokban az összeköttetés tisztán elektromos jellegű volt, lehetővé téve ezzel sokkal nagyobb távolságok áthidalását is. Az univerzális felhasználás érdekében általában törekedtek a minimálisan 6 szabadsági fok meglétére. A fenti típusokat egyaránt jellemzi, hogy azok a geometriai leképezés 1:1 aránya miatt, valamint a master és a slave összeköttetései miatt a vezérlő személy számára viszonylag könnyen áttekinthetővé tették a megoldandó feladatot. A megoldás hátránya, hogy az valamennyi különböző slave manipulátor karhoz vele azonos vagy geometriai értelemben hasonló master kar szerkezet kiépítését kívánják meg. Ezzel a mesterkar mint eszköz elveszítette univerzális voltát. Eltérő karszerkezetű slave manipulátor és mesterkar alkalmazásának lehetősége a fenti okok miatt szintén felmerült. Ezzel az elképzelhető konstrukciók szinte kategorizálhatatlanná váltak, s a különböző fejlesztők igen általános, egymástól nehezen elkülöníthető és kvantitatíve nem definiált követelmények alapján kezdtek versengni egymással, pl. kis súrlódás, csekély saját tehetetlenség és áttekinthető geometriai szerkezet [57]. 14

22 A kifejlesztendő master karnak általában két egymástól eltérő elvárási rendszer között kell kompromisszumot találnia: a vezérlő ember nagyjából állandó adottságaihoz (a tapintás, az érzékelés és a parancskiadás becsült elemi frekvenciái, a kéz ereje és az izmok kimerülési folyamatai) illeszkedő konstans feltételrendszert ugyanúgy ki kell elégítenie, mint a vezérelt slave manipulátor oldaláról a legkülönbözőbb változó feltételekhez kell alkalmazkodnia [89]. A behatárolható KVALITATÍV JELLEMZŐK [79] alapján a következőképp foglalhatók össze: Megfelelően intuitív irányíthatóság a felhasználó részéről az adott manipulátorral megegyező szabadsági fokok megléte; a mesterkarhoz kötött vonatkoztatási rendszer könnyen legyen úgy beállítható, hogy a slave munkatere és a végrehajtó személy testéhez kötött vonatkoztatási rendszer a megszokott kezelési pozícióba legyen állítható egymáshoz képest; a master-slave együttes legyen olyan, hogy a mesterkar szabadságfokainak mozgatásával a slave manipulátor térbeli mozgása viszonylag könnyen áttekinthetővé váljon; Nagy megbízhatóságú erővisszajelzés gyorsan és egyértelműen generált erő illetve nyomaték visszajelzés minimális súrlódás okozta zavarokkal; minimális saját tehetetlenséggel terhelt kezelés; Megfelelő mechanikai konstrukció megfelelő mechanikai szilárdság, amely kellő frekvenciatartománybeli sávszélességet biztosít az operátor által kiadott parancsok átvitelére; lehetőleg egymással csatolatlan szabadsági fokok mellett egyszerű kinematikai struktúra megléte; az operátort a lehető legkisebb, emberileg kellemesen érzékelhető, még nem kimerítő erőhatások terheljék; a master kar részéről az emberi kéz lehetőségeihez illeszkedő méretű és alakú munkatér megléte; a kar megfelelő mechanikai kiegyensúlyozása; megfelelő erő-, nyomaték- és pozíciófelbontás; Általában megállapítható, hogy a durva szabad mozgásszakasz működtetésére a gyakorlatban közönséges hidraulikus kapcsolók is beváltak a különböző eszközök kézi vezérlésében, ahol a speciális geometriai leképezés hiánya áthidalható a vezérlő személy intelligenciája és vizuális készségei által. Így célszerű a mesterkaroknál fenntartani egy geometriai leképezésre nem nagyon érzékeny joystick típusú funkciót ellátó üzemmódot [36]. 15

23 A mesterkarok alkalmazásának elterjedtsége A különböző robotokhoz, manipulátorokhoz vagy darukhoz illeszthető mesterkarok ipari, mezőgazdasági vagy egyéb gazdasági területeken való alkalmazása a fejlődés mai szintjén nem általánosan elterjedt. A nemzetközi kutatási-fejlesztési trendeket figyelve azonban megállapítható, hogy hasonló jellegű eszközök kifejlesztésére hosszú idő óta számottevő erőfeszítéseket tesznek a legkülönbözőbb speciális alkalmazási ötleteket szem előtt tartva. Az iparilag fejlett országokban ilyen jellegű kutatásokat ma elsősorban az ember közelségében biztonságosan és/vagy gazdaságosan nem megoldható feladatok adta kihívások mélytengeri szerelések, bizonyos űrállomásokon történő szerelések, nyersanyag-kitermelés, atomerőművek karbantartása stb. kapcsán felmerülő tevékenységek motiválják, ami miatt az ilyen irányú publikációk a konferenciák Remote Control vagy Telerobotic Systems jellegű szekcióiban szoktak megjelenni [2, 104]. Jóval a robottechnika megjelenése előtt még az 1940-es évektől kezdődően kiterjedt kutatások folytak a legkülönbözőbb kézi vezérlő eszközök megvalósítása érdekében. Ezek kezdetben a primitív on-off kapcsolók szintjén álltak. A kutatások az 1960-as évekre azaz az első primitív robotok megjelenésének időszakára már letisztázhatókká váltak [33, 79, 68, 69], illetve az 1970-es évek végére az addig elért eredmények összefoglalása [50, 51] után az 1980-as években a JPL-nél elkészült az első univerzális 6 szabadságfokú erővisszajelzéses kézi vezérlő szerkezet [14]. További tervezési kutatások [71, 78] után kialakult egy megfelelő osztályozási rendszer a különböző kézi vezérlő eszközökről [28]. A kutatási eredmények összefoglalásaként elmondható, hogy általában nem minden esetben szükséges erővisszajelzés. Az ilyen esetekben a kézi irányító berendezés, mint afféle joystick működtethető, a vezérlés pedig egyszerű sebességvezérlés. Az általánosan publikált, meglehetősen speciális alkalmazási kört megcélzó kutatási témákon kívül a disszertációban bemutatott fejlesztés a pótlólagos automatizálás olyan eszközének tekinthető az ipar különböző területein, amelyeknél az elemző részben leírt problémák megjelenhetnek, valamint szükségessé válik: viszonylag nagy terhek lassú és nem túl nagy pontosságú mozgatása és pozícionálása, nagy súlyú, ember által közvetlenül nem mozgatható, esetleg az egészségre ártalmas szerszám mozgatása, amely, változó vagy nehezen áttekinthető struktúrájú munkakörnyezetben történik, ahol az érintkező testek esetén a rongálás vagy a balesetveszélyes kontakterők felismerendők és elkerülendők, ahol a bonyolultabb technológiai alkalmazások maguk is igénylik az erővisszajelzést, amelynek segítségével a műszakilag megoldandó feladat komplexitása és a végrehajtás ideje is lényegesen csökkenthető. 16

24 3.6. SOFT COMPUTING AZ ADAPTÍV IRÁNYÍTÁSBAN A lágy számítási eljárások (Soft Computing, SC) alkalmazásának legfőbb előnye, hogy segítségükkel elkerülhető az irányítandó fizikai rendszer bonyolult analitikus modelljének kifejlesztése. Legfontosabb komponensei lényegében már a XX. század hatvanas éveiben is ismertek voltak, az azóta eltelt időben végbement technológiai fejlődésnek köszönhetően napjainkban pedig ténylegesen rendelkezésünkre is állnak. Ma a SC mesterséges neurális hálózatok (artificial Neural Networks) és fuzzy rendszerek egymástól elkülönített vagy integrált felhasználását jelenti, amelyben az egyes elemek működését nagyfokú párhuzamosság jellemzi [97]. A modell rendszer paramétereit különböző determinisztikus, sztochasztikus illetve kombinált paraméter-hangolási módszerrel lehet beállítani. Ezt a folyamatot gépi tanulásnak is szokás nevezni. A neurális hálózatok alkalmazása kapcsán napjainkra különböző tipikus problémaosztályok kristályosodtak ki, melyek megoldására tipikus uniformizált architektúrák (pl. többrétegű perceptron, Kohonen hálózat, Hopfield hálózat, celluláris neurális hálózat [Cellular Neural network, CNN], stb.) alkalmasak. Például a neurális hálózatok egyik tipikus alkalmazása szenzorok jeleinek linearizálása [75]. A fuzzy rendszerek legnagyobb praktikus értéke, hogy azok a beszélt emberi nyelvek pontatlan és gyakran homályos fogalmi rendszerét matematikailag szigorúan képesek reprezentálni és kezelni [119]. Ezek nagyobb halmazok részhalmazainak a reprezentálására többnyire tipikus fuzzy tagsági függvényeket (pl. trapéz vagy háromszög alakú függvények, lépésfüggvényeket vagy szigmoid függvényeket) használnak. A bemeneti és a kimeneti értékek terének direkt szorzatán értelmezett fuzzy relációk előállítására is több szabványos, különböző fuzzy operátor-osztályokon alapuló módszer létezik. A hagyományos SC alkalmazásának első fázisa, azaz a megfelelő probléma-osztály és a hozzá illő struktúra kiválasztása viszonylag könnyű, és gyorsan megoldható. A következő lépés, azaz a megfelelő struktúra méreteinek meghatározása és a modell paramétereinek beállítása gépi tanulással már sokkal nehezebb. Általában az erősen csatolt nemlineáris, több bemenetű és több kimenetű rendszerek modellezésében a lágy számítási eljárások mindegyike szenved a dimenzionalitás átkától. Ez azt jelenti, hogy a szükséges neuronok/fuzzy szabályok száma erősen növekszik a rendszer szabadsági fokainak számával és a feladat bonyolultságával. A modellezés bonyolultságának csökkentése céljából különböző fuzzy interpolációs módszereket dolgoztak ki és teszteltek. Például a hasonlósági relációk igen jól felhasználhatók fuzzy diagnosztikai rendszerek tervezésében [120]. A méretezési problémák orvoslására többféle gyógyszert is kidolgoztak, mint például a szabályinterpolációt [12, 116], vagy Sugeno 17

25 és Yasukawa kvalitatív modellezési módszerének továbbfejlesztését [115], hierarchikus szabályok bevezetését [72], stb. Az e téren elért igen fontos eredmények ellenére is a helyzet nehezen látható át. Neurális hálózatok használata esetén hasonló problémákkal kerülünk szembe a hálózat méretének, a szükséges neuronok számának meghatározásakor. A külső dinamikai kölcsönhatások, amelyekről általában nem áll rendelkezésre információ, befolyásolják a rendszer dinamikai viselkedését. A szükséges struktúrák általában nagy mérete, a nagyszámú hangolandó paraméterek megjelenése, valamint az időben változó cél ma még számottevő problémát jelentenek. Problémát jelentenek a hidraulikus rendszerekben a dolgozatban ilyen technikai megvalósításúak az ipari robottal, illetve erő-visszajelzéses mesterkarral kapcsolatos realizálások használt dugattyúk súrlódási tulajdonságai jelentenek problémát, különösen a kis sebességtartományokban. Ez indokolta azt az erőfeszítést, hogy ezen irányítási nehézségek leküzdésére keressünk megoldásokat. A kitűzött cél megvalósításának egyik útja az általános fuzzy differenciál egyik első gyakorlati alkalmazása a súrlódás újszerű matematikai modellezése által fuzzy differenciálegyenletek segítségével. A kutatási első eredményei a [13] munkában, megtalálható. Ennek részletezését a dolgozat nem tartalmazza, fejlesztése folyamatosan zajlik. A klasszikus lágy számítási eljárások rossz skálázhatóságából eredő problémáinak elkerülése céljából kidolgozott új megközelítésnek tekinthető a [111]-ben kezdeményezett módszer, amely a széles körű használhatóság és a jó skálázhatóság követelményei közti kompromiszszumra épül. Perturbáció számítással be lehetett bizonyítani, hogy e módszer fizikai rendszerek tág osztályának szabályozásában használható fel. Ilyenek például a klasszikus mechanikai rendszerek is [112]. E megközelítés a klasszikus lágy számítási eljárásokban előforduló uniformizált struktúráknál és procedúráknál sokkal egyszerűbb és könnyebben átlátható struktúrákat és eljárásokat használ: különböző Lie csoportokból eredeztethető algebrai blokkok integrálhatók az általa használt modell -be, mint pl. a szimplektikus transzformációk egy új családja [109]. A jelen disszertációban ezt a módszert alkalmaztam egy elektromágneses szervoszeleppel szabályozott differenciális hidraulikus munkahenger irányítására. A szelep matematikai modelljét korábban Bröcker és Lemmen adta meg és vizsgálta más jellegű irányítási módszerrel kapcsolatban [29]. A továbbiakban röviden áttekintem az itt alkalmazott adaptív szabályozás közvetlen előzményeit A szakaszos deriváltak bevezetésének előképe Bröcker és Lemmen egyik megoldása a zavarelnyomás ( Disturbance Rejection ) elvére épült, a másik az irányítandó rendszer bizonyos hatásokkal szemben mutatott laposságára ( Partial Flatness Principle ) [e módszer elnevezésére a magyar nyelvben ismereteim szerint 18