Система управления антропоморфным роботом

Полезная модель относится к области робототехники и может быть использована на атомных электростанциях подводных аппаратах, в космическом приборостроении.

Технический результат заключается в повышении надежности системы управления антропоморфным роботом за счет обнаружения и регистрации скрытых дефектов аппаратуры, проявляющихся при ее эксплуатации в виде сбоев. Н.п.1, 3.п.12. Илл.1.

Полезная модель относится к области робототехники и может быть использована для управления антропоморфным мобильным роботом в критических и чрезвычайных ситуациях (атомные электростанции, подводные аппараты, разминирование объектов и т.д.). Одна из проблем современных робототехнических систем заключается в их ограниченных функциональных возможностях, проявляющихся, в частности, в решении узкого класса задач - захват элемента определенной формы и веса или предполагающих непосредственное участие человека (Авт. св. СССР 1646850, МПК B25J 9/10).

В свою очередь, расширение функциональных возможностей робота за счет обеспечения точного позиционирования тела робота и его манипуляторов относительно объекта, имеющего любую форму и вес, и улучшения обеспечения захвата и удержания объекта, требуют расширения числа и функционального состава датчиков и исполнительных элементов, а также повышения надежности их работы.

Технический результат заключается в повышении надежности и качества эксплуатации, которые обеспечиваются обнаружением и регистрацией в работе аппаратуры скрытых дефектов, проявляющихся, в частности, через сбои в работе, а также обнаружением и регистрацией внутренних и внешних электромагнитных помех. Данный результат достигается за счет того, что в процессе эксплуатации обнаруживаются и регистрируются распределенные и локальные источники сбоев в аппаратуре: сигнальные (информационные) шины, шины заземления и электропитания, клеммные колодки (соединители или разъемы), а также датчики и исполнительные механизмы. Эффект достигается вследствие включения в аппаратуру контактных и бесконтактных датчиков сбоя, а также добавлением алгоритмов обработки электрических сигналов с указанных датчиков.

При этом в качестве информативных параметров используются изменения амплитудно-частотных характеристик, повышенное электромагнитное излучение, появления эффекта дифференцирования и интегрирования сигналов.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является система управления антропоморфным роботом, содержащая компьютер с предварительно обученными нейронными сетями, систему технического зрения, блок обработки видеосигналов, тактильные датчики, соединенные с входами в микроконтроллер выходами связанного с приводами робота (Патент России 2361726, МПК В25J 13/08 от 20.07.2009).

Недостатком устройства является его функциональная ограниченность из-за невозможности обнаружения и регистрации кратковременных выходов рабочих параметров за пределы поля допуска в широком диапазоне частот.

Задача, решаемая полезной моделью, - расширение функциональных возможностей по обнаружению скрытых дефектов в виде сбоев элементов и узлов за счет введения контактных и бесконтактных датчиков сбоев и использования новых информативных признаков сбоев с соответствующей алгоритмической обработкой информации (сигналов).

Поставленная задача решается тем, что в систему управления антропоморфным роботом дополнительно введены контактные и бесконтактные датчики сбоев, установленные соответственно на линиях связи и интерфейсных шинах или в непосредственной близости до 1-2 см от линии связи или интерфейсной шины для обнаружения внутренних и внешних электромагнитных помех от источников сбоев в виде соединителей/разъемов, интерфейсных шин, шин управления, заземления и электропитания, при этом система выполнена с возможностью алгоритмической обработки сигналов с упомянутых датчиков сбоев.

Поставленная задача решается тем, что в качестве информативных параметров при обнаружении источников сбоев выбирают изменение амплитудно-частотных характеристик, повышенное электромагнитное излучение, появление эффекта дифференцирования и интегрирования сигналов.

Поставленная задача решается тем, что система выполнена с возможностью регистрации амплитудно-частотной характеристики источника сбоя в диапазоне частот от нуля или постоянного тока до единиц гигагерц.

Поставленная задача решается также тем, что система выполнена с возможностью бесконтактного обнаружения электромагнитных излучений от источников сбоев в диапазоне частот от единиц герц до единиц гигагерц.

Поставленная задача решается также тем, что система выполнена с возможностью контактного определения источника сбоя по факту образования микротрещин и микрозазоров в линиях связи и соединителях и малой емкостной составляющей от долей и единиц пикофарад в них, последующим большим сопротивлением до 10⁷ Ом и выше приемника сигналов на КМОП-структуре и возможности образования эффекта дифференцирования сигналов.

Поставленная задача решается также тем, что система выполнена с возможностью бесконтактного определения источника сбоя по факту образования микрорезонансных контуров и электромагнитного излучения в них при прохождении электрического сигнала.

Поставленная задача решается также тем, что система выполнена с возможностью контактного определения источников сбоя по эффекту интегрирования сигнала при воздействии на них кодо-импульсных сигналов с различными постоянными времени в импульсах и паузах.

Поставленная задача решается также тем, что система выполнена с возможностью работы контактных и бесконтактных датчиков сбоев в диапазоне частот от долей герца до единиц гигагерц.

Поставленная задача решается также тем, что контактные датчики сбоев реализованы на КМОП-инверторах.

Поставленная задача решается также тем, что бесконтактные датчики сбоев реализованы на пассивных (L, С -элементы) микрорезонансных колебательных контурах.

Поставленная задача решается также тем, что система выполнена с возможностью определения при срабатывании двух и более контактных датчиков сбоя в качестве источника сбоя элемента или узла с более ранним по времени срабатыванием датчика.

Поставленная задача решается также тем, что система выполнена с возможностью определения при одновременном срабатывании двух и более бесконтактных датчиков сбоя в качестве источника сбоев внешнего электромагнитного воздействия или помехи.

Поставленная задача решается также тем, что система выполнена с возможностью определения при срабатывании контактных и бесконтактных датчиков в качестве источников сбоев внутренней электромагнитной помехи.

Решение поставленной задачи определения сбойных состояний и источников сбоев в виде линий связи и соединителей по изменению амплитудно-частотной характеристики, повышенного электромагнитного излучения, дифференцируемости электрических сигналов основано на представлении скрытых дефектов упомянутых фрагментов аппаратуры в форме микрозазоров, микронеровностей, микротрещин, частичных микроразрывов и образовании вследствие этого микрорезонансных контуров и микроемкостей.

Решение поставленной задачи по информативному параметру интегрируемости электрических сигналов основано на представлении скрытых дефектов устройства в виде повышенного (в десятки и сотни раз) омического сопротивления, составляющего с последующей включенной микроемкостью (например, сотые доли пикофарад) интегрирующее звено.

На фиг.1 представлена система управления антропоморфным роботом (фрагмент) повышенной надежности. Система содержит систему технического зрения 1, компьютер 2, микроконтроллер 3, приводы робота 4, наружные чувствительные элементы 5 и внутренние чувствительные элементы 6 тактильных датчиков (на фиг.1 не показаны), а также контактные датчики сбоев (КДС) 7-16, бесконтактные датчики сбоев (БДС) (17-21). В случае двунаправленного действия электрических сигналов КДС установлены в начале (конце) линии связи и наоборот. При однонаправленном действии сигналов КДС устанавливаются в начале (по действию сигнала) линии связи - КДС 7, 11, 15 и в конце - КДС 8, 12, 16. В общем случае данное количество датчиков может быть и большим, что зависит от конкретной линии связи и размера ее дискретизации, где необходима фиксация сбоя.

На схеме (фиг.1) показаны и бесконтактные датчики сбоев 17-21, установленные в непосредственной близости от диагностируемых элементов или узлов. Количество БДС выбирается, исходя из их чувствительности, протяженности линии связи, и в общем случае может быть большим. На фиг.1 для простоты выбраны только отдельно взятые связи узлов 4, 5 и 6 с блоком 3. В общем случае датчики могут устанавливаться на каждую линию связи указанных узлов и блока. Как КДС, так и БДС, могут иметь как автономную, так и централизованную индикацию (на фиг.1 не показана) с использованием блоков 2 и 3.

Предварительно оператором (человеком) производится обучение нейронных сетей (на фиг.1 не показаны) на «касание» и «охват» различных объектов с использованием системы технического зрения 1. Управление роботом осуществляется с компьютера 2 через микроконтроллер 3 посредством подачи сигналов на включение приводов 4. При этом качество охвата объекта осуществляет микроконтроллер 3 через наружные (5, фиг.1) и внутренние (6, фиг.1) чувствительные элементы тактильных датчиков.

Параллельно с работой узлов и блоков 1-6 (фиг.1) в режиме «он-лайн» работают и датчики КДС (1-16, фиг.1) и БДС (17-21, фиг.1), установленные на линиях связи между узлами и блоками 1-6 и осуществляющие контроль данных линий связи на наличие в них скрытых дефектов, проявляемых в виде сбоев или присутствие внутренних или внешних электромагнитных помех.

Датчики сбоев устанавливаются, например, с помощью клипс. Одновременное срабатывание БДС на различных линиях связи и не срабатывание КДС свидетельствует об источнике сбоев в виде внешней электромагнитной помехи. Одновременное срабатывание КДС и БДС говорит о внутренней электромагнитной помехе. Основное отличие при включении КДС и БДС в аппаратуру заключается в величине фиксируемого сигнала в зависимости от расстояния до источника сбоев.

1. Система управления антропоморфным роботом, содержащая систему технического зрения, подключенную к входу компьютера и микроконтроллер, соединенный с компьютером, приводами робота и выходами тактильных датчиков, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены контактные и бесконтактные датчики сбоев, установленные соответственно на линиях связи и интерфейсных шинах или в непосредственной близости до 1-2 см от линии связи или интерфейсной шины для обнаружения внутренних и внешних электромагнитных помех от источников сбоев в виде соединителей/разъемов, интерфейсных шин, шин управления, заземления и электропитания, при этом система выполнена с возможностью алгоритмической обработки сигналов с упомянутых датчиков сбоев.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве информативных параметров при обнаружении источников сбоев выбирают изменение амплитудно-частотных характеристик, повышенное электромагнитное излучение, появление эффекта дифференцирования и интегрирования сигналов.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью регистрации амплитудно-частотной характеристики источника сбоя в диапазоне частот от нуля или постоянного тока до единиц гигагерц.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью бесконтактного обнаружения электромагнитных излучений от источников сбоев в диапазоне частот от единиц герц до единиц гигагерц.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью контактного определения источника сбоя по факту образования микротрещин и микрозазоров в линиях связи и соединителях и малой емкостной составляющей от долей и единиц пикофарад в них, последующим большим сопротивлением до 10⁷ Ом и выше приемника сигналов на КМОП-структуре и образования эффекта дифференцирования сигналов.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью бесконтактного определения источника сбоя по факту образования микрорезонансных контуров и электромагнитного излучения в них при прохождении электрического сигнала.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью контактного определения источника сбоя по эффекту интегрирования сигнала при воздействии на них кодо-импульсных сигналов с различными постоянными времени в импульсах и паузах.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что контактные и бесконтактные датчики сбоев выполнены с возможностью работы в диапазоне частот от долей герц до единиц гигагерц.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что контактные датчики сбоев реализованы на КМОП-инверторах.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что бесконтактные датчики сбоев реализованы на пассивных (L, C - элементы) микрорезонансных колебательных контурах.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью определения при срабатывании двух и более контактных датчиков сбоя в качестве источника сбоя элемента или узла с более ранним по времени срабатыванием датчика.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью определения при одновременном срабатывании двух и более бесконтактных датчиков сбоя в качестве источника сбоев внешнего электромагнитного воздействия или помехи.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью определения при срабатывании контактных и бесконтактных датчиков в качестве источников сбоев внутренней электромагнитной помехи.