Лекция 4 по дисциплине «Основы мехатроники и робототехники» тема: «Основные принципы мехатроники. Структура автоматической машины» Мамонова Татьяна Егоровна гр. 14Б10

Основные принципы мехатроники Общепризнанными тенденциями современного развития техники являются: - миниатюризация, - интеллектуализация, - интеграция. Пример возникновение электромеханики в результате соединения механики с электротехникой 1

На основании указанных общих тенденций сформулированы следующие принципы мехатроники. 1. Поэтапность развития. 2. Системный подход. 3. Унификация. 4. Интеграция. 5. Закон степени 3/2. 2

Первый принцип – поэтапность развития техники путём последовательного освоения разного порядка размерностей в виде отдельных её поколений. Каждый такой этап заключается в создании качественно новой техники, требующей соответствующих новых технологий. При этом, для реализации последних необходимо технологическое оборудование, основанное на технике предыдущей размерности. 3

Пример: создание нанотехнологий предполагает использование микротехники (микроманипуляторов и т.д.). Реализация данного принципа в микромехатронике означает развитие мехатронных и микросистемных 3D-технологий на основе исходных 2D- технологий микроэлектроники, созданных на предыдущем этапе техники. 4

Второй принцип – системный подход к созданию мехатронных систем. Данный принцип предполагает синтез мехатронных систем на основе общесистемных критериев без декомпозиции с переходом от общего технического задания (ТЗ) на систему к частным ТЗ на отдельные её функциональные компоненты. Такой синтез может осуществляться через анализ с применением декомпозиции на промежуточных этапах синтеза. 5

Принцип системного проектирования является одним из основополагающих для мехатроники как самостоятельного научно-технического направления. Реализация данного принципа стала возможной только на определённом этапе развития науки и техники и связана с решением ряда проблем и, прежде всего, в части формирования общесистемных критериев и разработки на их основе методов синтеза. 6

Третий принцип – унификация функциональных компонентов. Данный принцип для систем до дециметровой размерности реализуется в виде модульного построения системы из типоразмерных рядов конструктивно унифицированных функциональных компонентов – сенсорных, информационно-управляющих, связи, исполнительных и энергопитания. Все перечисленные компоненты можно объединить в две группы: информационные и силовые. 7

С уменьшением габаритных размеров до следующего уровня сантиметровой размерности общесистемная оптимизация приводит к взаимному проникновению (конвергенции) этих функциональных компонентов. Конвергенция функциональных компонентов даёт снижение массогабаритных параметров, повышение надёжности (прежде всего за счёт уменьшения межкомпонентных связей) и быстродействия. 8

Следует отметить, что первым уже достаточно освоенным этапом процесса унификации функциональных компонентов является распространение методов искусственного интеллекта, используемых в информационно-управляющих компонентах на другие функциональные компоненты – от сенсорных до исполнительных. Аналогичная тенденция наметилась в энергопитании за счёт введения вторичных источников энергии в отдельные функциональные компоненты. 9

Четвёртый принцип – интеграция функций на базе однородных структур. Данный принцип приходит на смену модульному принципу построения систем в конце их типоразмерного ряда при переходе к миллиметровой размерности. Отказу от модульного построения с переходом к однородным структурам с распределёнными функциями предшествует постепенное взаимное проникновение функциональных компонентов, которое и завершается переходом к качественно новому типу организации. 10

Этот переход содержит два этапа. Первый этап охватывает информационные компоненты (сенсорные, информационно- управляющие, интерфейсы). Второй этап затрагивает силовые компонентам ( исполнительные, энергопитания). В настоящее время идёт процесс реализации первого этапа на основе нейроподобных структур. При этом, каждая функция должна выполняться отдельными участками таких структур с возможностью их оперативного перераспределения и изменения границ. 11

Пример 1 такой организации: многоагентная система в компьютерных сетях, где отдельные компоненты теряют свою конструктивную самостоятельность и превращаются в чисто программный продукт – программные агенты- модули, размещаемые в однородной материальной среде. Пример 2 такой организации: при групповом применении роботов, когда возникает их общая нейросетевая информационная среда, с такого же типа общей ассоциативной памятью, эти агенты становятся компонентами общего для всей группы роботов коллективного «разума». 12

Завершающий этап освоения однородных структур – это реализация данного принципа для силовых функциональных компонентов. В настоящее время это – наиболее проблематичная задача, решение которой требует поиска новых физических идей и путей технической реализации. Прежде всего, необходим новый подход к построению приводов по типу искусственных мышц, основанный на параллельно-последовательной работе сотен элементарных микроактуаторов. Улучшение массогабаритных параметров должно обеспечиваться при этом, прежде всего, за счёт новых физических принципов действия и материалов (полимеров, композитов и т.д.). Очевидно, что переход к таким приводам позволит кардинально повысить и надёжность МС. 13

Проблема микроминиатюризации стоит и перед источниками энергопитания. Размерность (габаритные размеры) м Принцип построения (структура)Уровень управления Модульное построение на основе конструктивно- унифицированных типоразмерных рядов функциональных модулей Адаптивность Взаимопроникающие функциональные компоненты Искусственный интеллект Однородные структуры с распределёнными функциями Искусственный разум (интеллект + креативность) Таблица 1. Принципы применительно к микромехатронным системам 14

Пятый принцип – закон степени 3/2. Данный принцип заключается в том, что в силу разного порядка размерности объёма (3) и поверхности (2) объектов при их миниатюризации происходит увеличение значимости поверхностных явлений (теплообмена с внешней средой и т.п.). В результате подлежат пересмотру принципы построения, методы расчёта и проектирования мехатронных систем по мере их миниатюризации, включая концепцию их управления путём привлечения идей биомеханики. 15

Таким образом, перечисленные принципы построения МС, которые определяются порядком их размерности и тенденции их развития. Важной особенностью мехатронных систем является повышение практической значимости бионического подхода. Так, биологическим аналогом системного подхода и унификации компонентов является клеточное строение, а интеграции – нейронные структуры, пронизывающие все органы живых существ. В связи с этим следует заметить, что все методы искусственного интеллекта, по существу, являются результатом копирования опыта живой природы, причём пока только в части вербального мышления, составляющего лишь очень малую часть мышления человека. 16

Структура и принципы интеграции мехатронной системы Рассмотрим обобщённую структуру машин с компьютерным управлением, ориентированных на задачи автоматизированного машиностроения. В основу построения структурной схемы положена структура автоматических роботов, введённая академиком Е.П. Петровым. 17

Блок-схема традиционной машины с компьютерным управлением интерфейс информа- ционный поток энергетиче- ский поток 18 Внешние среды укрупнено можно разделить на 2 основных класса: детерминированные и не детерминированные.

Состав машины с компьютерным управлением Механическое устройство, конечным звеном которого является рабочий орган; Блок приводов, включающий силовые преобразователи и исполнительные двигатели; Устройство компьютерного управления (УКУ), в состав которого входят компьютер верхнего уровня контроллеры управления движением. Верхним уровнем УКУ является человек-оператор или другая ЭВМ, входящая в вычислительную сеть. Сенсоры – устройства, предназначенные для передачи в УУ информации о фактическом состоянии блоков системы, внешней среды и движения МС. 19

УКУ выполняет следующие основные функции: Управление процессом механического движения ММ или многомерной системы в реальном времени с обработкой сенсорной информации; Организация управления функциональными движениями МС, которая предполагает координацию управления механическим движением МС и соответствующими внешними процессами. Как правило, для реализации функции управления внешними процессами используются дискретные входы/выходы устройства, обозначаемые 1/0. Взаимодействие с человеком-оператором через человеко-машинный интерфейс в режимах программирования и непосредственно в процессе движения МС; Организация обмена данными с периферийными устройствами, сенсорами и другими устройствами системы. 20

Для сопряжения элементов в систему традиционно вводят специальные интерфейсные устройства И1 – И7. Примеры межблоковых интерфейсов, которые встречаются в машинах с компьютерным управлением, в частности, в станках с ЧПУ, промышленных роботах. И1 – комплекс сетевых аппаратно-программных средств для сопряжения УКУ с компьютерной сетью, либо это интерфейс человек – машина, если цель управления МС задаётся непосредственно человеком. И2 – интерфейс для формирования управляющих электрических напряжений для исполнительных приводов. Интерфейс, обычно, включает в себя ЦАП и усилительно-преобразующие устройства. 21

И3 – интерфейс, включающий, как правило, механические передачи, связывающие исполнительные двигатели со звеньями механического устройства. Конструктивно – это редукторы, муфты, гибкие связи, тормоза и т. д. И4 – интерфейс, используемый на входе УКУ в случае применения в МС сенсоров с аналоговыми выходными сигналами. В состав таких интерфейсов, как правило, включаются АЦП. И5, И6, И7 – интерфейсы, устройство которых зависит от физического характера входных переменных состояния системы. Они могут быть электрическими или механическими. 22

К механическим интерфейсам относятся присоединительные устройства для датчиков обратной связи приводов. К электрическим интерфейсам относятся преобразователи сигналов о переменных состояния системы в электрические сигналы. Важно: связь всех элементов с УКУ предусматривает не только аппаратное сопряжение, но также соответствующее программное обеспечение (операционную систему, драйверы) для организации обмена данными в режиме реального времени. 23

При традиционном проектировании интерфейсы представляют собой отдельные самостоятельные устройства и узлы. Обычно, это сепаратные (отдельные) блоки, выпускаемые специализированными фирмами, или изготавливаемые разработчиками. Принципиальное различие мехатронного и традиционного подходов к проектированию и изготовлению модулей и машин состоит в концепции технической реализации функциональных преобразователей. 24

Т.о., задачей МС является преобразование информации о цели управления, поступающей с верхнего уровня, в целенаправленное функциональное движение системы с управлением по принципу обратной связи. 25

Блок-схема автоматической машины с компьютерным управлением, построенная на основе мехатронного подхода ФП – функциональный преобразователь 26

Сравнивая блок-схемы МС на основе традиционных и мехатронных подходов можно сделать вывод, что количество преобразующих, в том числе и интерфейсных блоков в традиционной машине с компьютерным управлением избыточно по отношению к минимально- необходимому числу информационно- энергетических ФП. 27

Преимущества такого объединения Выигрыш в стоимости; Исключение необходимости внешнего монтажа кабелями; Меньшие габариты, лучший дизайн. Недостаток: система не гибкая, оба устройства могут эксплуатироваться и восстанавливаться только совместно. 28

Суть мехатронного подхода к проектированию состоит в интеграции в единый функциональный модуль двух или более элементов различной физической природы. Т.е. на стадии проектирования из традиционной структуры машины исключается как сепаратное устройство, по крайней мере, один интерфейс при сохранении физической сущности преобразования, выполняемого данным модулем. 29

Сущность мехатронного подхода состоит в том, что он направлен на интеграцию конкретного класса элементов (механических, электронных, компьютерных и т.д.), которые имеют принципиально различную физическую природу и предназначены для реализации сложного функционального движения. 30

Аппаратное объединение элементов в конструктивные модули должно обязательно сопровождаться разработкой интегрированного программного обеспечения, т.е. комплекса аппаратно- программных средств, ориентированных на конкретные прикладные задачи. Для реализации сформулированного мехатронного подхода следует определить локальные точки интеграции элементов в единый функциональный модуль. 31

Потенциально возможные точки аппаратной интеграции и структуры соответствующих ММ представлены в таблице мехатронный модуль исходные элементы базовый элемент дополняющий элемент исключаемый интерфейс интеллектуальный силовой преобразователь силовой преобразователь микропроцессорИ2 приводной модульисполнительный двигатель механическое устройство И3 интеллектуальный сенсор сенсормикропроцессорИ4 мехатронный модуль движения приводной модуль сенсорИ3, И5 очувствлённый рабочий орган рабочий органсенсорИ6 32

Заключение На практике целесообразно строить ММ, опираясь сразу на несколько узлов интеграции, и создание таких модулей представляет наибольший интерес в теоретическом и прикладном планах для мехатроники, как новой науки. 33

Спасибо за внимание