РОБОТОТЕХНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА

Статья посвящена актуальной на сегодняшний день теме - проблеме применения роботов в атомной отрасли, в частности на модуле фабрикации и рефабрикации плотного смешанного уран-плутониевого топлива (МФР) опытно-демонстрационного энергокомплекса (ОДЭК) АО «СХК». Автор объясняет это опасностью или невозможностью прямого участия человека в некоторых операциях, связанных с воздействием высоких дозовых нагрузок и токсичностью на организм. Поэтому автор говорит о необходимости применения технологий опосредованного управления рядом процессов или их автоматизации, частичной либо полной. Особое внимание в статье уделено тому, что роботов внедряют не в готовые технологические линии, а сразу, на этапе проектирования, создают роботизированное производство топлива. Автор прогнозирует, что одним из преимуществ применения роботов будет поддержание качества продукции на более стабильном уровне. В статье раскрывается то, что на МФР роботы-манипуляторы, автоматизированные управляемые (АУТ) и передаточные тележки будут применяться в основном технологическом процессе на операциях по изготовлению тепловыделяющих сборок (ТВС), при обращении с радиоактивными отходами (РАО) и на линиях автоматизированных транспортных систем. Растущая потребность в решении задач вывода из эксплуатации объектов использования атомной энергии (ОИАЭ) требует новых подходов в их реализации, в том числе для минимизации работы человека непосредственно в условиях повышенного радиационного фона. В качестве таких подходов предполагается использование современных робототехнических технологий, позволяющих высокоэффективно решить задачи всех этапов вывода из эксплуатации объектов использования атомной энергии, тем самым достигая комплексного подхода в их решении и формировании задела на будущее. Внедрение робототехнических комплексов в рамках федерального проекта имеет не только прикладное значение в сфере вывода из эксплуатации ОИАЭ с точки зрения эффективности использования ресурсов, оптимизации затрат и скорости выполнения проектных работ, но и создает условия для реализации стратегически важных для России задач в социальной и экономической сферах.

В работе описывается технический облик и состав роботизированной установки сортировки и паспортизации радиоактивных отходов (РАО), сочетающий в себе систему технического зрения (СТЗ) для определения положения фрагментов РАО и оценки их морфологического состава, блоки детектирования для определения радионуклидного состава и манипуляционную систему для перемещения и сортировки самих фрагментов РАО по контейнерам в соответствии с параметрами измерения. Подобный подход позволит производить сортировку РАО по способу их последующей переработки, а также снизить общую стоимость последующего захоронения РАО путем уменьшения итогового класса отходов.

В первой части статьи[1] обсуждалась система оценки эмоций оператора с применением глубокого машинного обучения на основе мягких вычислений и проектирование когнитивной системы управления. Данная работа развивает подход когнитивного интеллектуального управления, описывая стратегию проектирования интеллектуальных систем когнитивного управления на основе квантовых и мягких вычислений. Продемонстрирован синергетический эффект квантовой самоорганизации базы знаний, извлеченный из не робастных баз знаний интеллектуального нечеткого регулятора. Применяется информационно-термодинамический закон квантовой самоорганизации оптимального распределения базисных качеств управления (устойчивость, управляемость и робастность) и закон квантовой информационной термодинамики о возможности извлечения дополнительной полезной работы на основе извлеченной квантовой информации, скрытой в классических состояниях. Сформированная (без нарушения второго закона квантовой термодинамики) на основе извлеченного количества скрытой квантовой информации «термодинамическая» сила управления позволяет роботу (как объекту управления) совершить количественно большую полезную работу по сравнению с количеством затраченной (на извлечение квантовой скрытой информации) работу. Гарантированное достижение цели управления роботом осуществляется на основе спроектированной интеллектуальной когнитивной системы управления с применением инструментария квантового оптимизатора баз знаний QCOptKBTM, в структуру которого включен квантовый нечеткий вывод - КНВ. Квантовый алгоритм самоорганизации не робастных баз знаний КНВ структурно опирается на синергетические эффекты от скрытой квантовой информации для осуществления реализации оптимального распределения качеств управления. Данная технология позволяет повысить надежность интеллектуальных когнитивных систем управления в ситуациях управления в условиях опасности, описанных с помощью когнитивного нейроинтерфейса и различных типов взаимодействия с роботами. Примеры продемонстрировали эффективность введения схемы КНВ в качестве готового программируемого алгоритмического решения для встраиваемых интеллектуальных систем управления. Показана возможность применения нейроинтерфейса на базе когнитивного шлема с квантовым нечетким регулятором для управления транспортным средством.

В статье рассматриваются методы, обеспечивающие согласованную работу двух необитаемых подводных аппаратов, один из которых - основной оборудован многозвенным манипулятором и системой технического зрения, а второй - вспомогательный - только системой технического зрения. Эти методы обеспечивают совместную работу двух необитаемых подводных аппаратов как в режиме полуавтоматического позиционного телеуправления манипулятором, так и в режиме автоматического выполнения ими операций с различными объектами. При этом в обоих режимах рассматривается работа в ситуациях, когда видеокамера основного подводного аппарата не позволяет наблюдать объект работ, который тем не менее находится в рабочей зоне манипулятора. В этом случае для наблюдения за объектом используется вспомогательный осмотровый подводный аппарат со своей системой технического зрения. В режиме полуавтоматического телеуправления манипулятором автоматически учитывается текущая пространственная ориентация оптической оси системы технического зрения осмотрового подводного аппарата, а также пространственные ориентации обоих подводных аппаратов по углам рыскания в абсолютной системе координат. А в автоматическом режиме дополнительно обеспечивается точная передача пространственного расположения и ориентации объекта, которые определяются с помощью системы технического зрения осмотрового подводного аппарата, в связанную систему координат основного подводного аппарата. При этом удается определить и устранить погрешности, возникающие при работе системы технического зрения и навигационных систем обоих подводных аппаратов. Результаты экспериментальных исследований подтвердили работоспособность предложенных методов, техническая реализация которых не вызывает принципиальных затруднений.

В работе представлены результаты численного эксперимента, который демонстрирует эффективность алгоритма управления, поддерживающего достаточно высокое числовое значение функции манипулятивности робота , обеспечивающее «удалённость» от сингулярной конфигурации. Рассмотрена задача о сближении рабочего органа космического манипулятора Канадарм2, имеющего семь степеней свободы (одна избыточная обобщённая координата), с объектом, движущимся по известной траектории. К шести параметрам, определяющим положение и ориентацию схвата в абсолютном пространстве, добавлена «кинематическая» функция , зависящая от относительных углов поворота звеньев. Уравнения кинематики при этом становятся замкнутыми относительно углов поворота. В закон управления включается условие поддержания некоторого числового значения , превышающего предельно допустимое значение. Построены с помощью системы компьютерной алгебры Mathematica иллюстрации в виде трёхмерной анимации, полученной на основе численного интегрирования уравнений управляемого движения манипулятора и объекта.

Статья посвящена особенностям методов синтеза управления (супервизора) для системы группового управления мобильными роботами. Верхние уровни системы группового управления рассматриваются как дискретно-событийная система. Представлены некоторые известные методы синтеза супервизора для дискретно-событийной системы, приведены оценки их вычислительной сложности. Для применения при проектировании дискретно-событийной системы группового управления выбран наилучший по критерию вычислительной сложности метод. Указаны ограничения выбранного метода, связанные с управлением независимыми действиями роботов при выполнении группового действия. Предложены модификация метода и расширение синтаксиса описания требуемого поведения (спецификации), которые позволяют снять указанные ограничения без увеличения вычислительной сложности. Применение модифицированного метода продемонстрировано на примере синтеза супервизора для группового действия выхода на рубеж с последующим тушением очага пожара тремя роботами.

Данная работа посвящена вопросам распределения задач в группах беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) при условиях значительного превышения количества задач над количеством агентов. Основными задачами, решаемыми БПЛА, являются: обзор и разведка территорий, обнаружение опасных объектов или мест возникновения чрезвычайных ситуаций, поиск пострадавших и т.п. Эффективность решения перечисленных выше задач достигается путем одновременного использования группы БПЛА, элементы (агенты) которой могут осуществлять параллельное выполнение задач по осмотру и сканированию различных областей пространства. В статье предложен итеративный метод распределения задач в группе БПЛА при значительном превышении количества задач над количеством агентов (5-20 раз). Предлагаемый метод для гетерогенных групп БПЛА базируется на двухэтапной процедуре распределения агентов разных специализаций по кластерам задач с учетом функции ценности агента. На первом этапе производится распределение базовой части агентов, оставшиеся агенты на втором этапе распределяются с целью усреднения пройденного пути каждым агентом. Выполнение задач внутри кластера реализуется методом имитации отжига. Для оценки эффективности вариантов метода произведено сравнение с жадным алгоритмом распределения задач и алгоритмом коллективного распределения целей. Рассматриваемые аналоги являются широко распространенным, универсальными и имеют высокую сходимость решения. Экспериментальные исследования проведены путем компьютерного моделирования, где проведено 2000 экспериментов при различном изменении количества агентов группы и генерации карты задач. Результаты показали высокую эффективность метода распределения задач в части снижения пройденного пути агентами группы БПЛА при выполнении задач в сравнении с аналогами. Эффективность пройденного пути агентами составляет до 28% в зависимости от количества агентов и задач в кластере, что является научным приращением полученного результата исследования.

Развитие технологий робототехники требует повышение уровня научно-технических разработок и создание профильного задела, а также формирования системы подготовки высококвалифицированных специалистов. Одним из способов оценки достигнутого уровня разработок и квалификации инженерных команд является проведение соревнований различного уровня. В статье представлен обзор различных мероприятий по соревновательной робототехнике. В третьей части рассмотрены соревнования в водной среде. Соревнования структурированы по формату проведения, среде функционирования и возрасту участников. Сделаны выводы о перспективах различных мероприятий соревновательной робототехники, а также актуальности некоторых из них. Представлены взаимосвязи достигаемых компетенций при участии в соревнованиях по различным направлениям, а также делается вывод о необходимости проведения профориентационной работы.

В современном мире наблюдается тенденция к внедрению мехатроники во все большее количество областей науки и техники с целью решения комплексных задач по управлению функциональными движениями. Одной из таких задач является задача формирования поверхностей сложной формы. Данная задача актуальна во многих областях человеческой деятельности таких как: промышленность, искусство, разработка человеко-машинных интерфейсов. Однако, среди существующих решений нет таких, которые смогли бы обеспечить возможность формирования сложных поверхностей под воздействием нагрузки, при этом обеспечивая компактные масса-габаритные характеристики. Целью данной статьи является разработка концепции мехатронного устройства для задач построения поверхностей сложной формы с высокой точностью, возможностью осуществления позиционирования под большой осевой нагрузкой и измерения осевых сил, оказываемых объектами манипулирования. В статье производится выбор начальных параметров проектирования на основании анализа схожих по функционалу устройств. Далее проводится выбор компонентов, разработка компоновки функциональных компонентов, управляющей электроники, конструкции и реализации 3D-модели итогового устройства. Также описывается метод управления группой из полученных мехатронных устройств путем использования единой шины данных со специализированным протоколом.

Представлен лунный манипуляторный комплекс (ЛМК), разработанный для посадочной миссии «Луна-25» в составе комплекса научной аппаратуры (КНА). В ходе наземных испытаний прежде всего отрабатывалась кинематика перемещений ЛМК, в том виде как это будет реализовано на Луне, и взаимодействие различных приборов: ЛМК, лазерный ионизационный масс-спектрометр (ЛАЗМА-ЛР), стационарная телевизионная система (СТС-Л) и ИК-спектрометр и стереокамеры (ЛИС-ТВ-РПМ). Совместная работа этой группы приборов должна обеспечить точное наведение манипулятора на выбранный участок поверхности Луны с последующим взятием пробы, безопасное транспортирование взятого грунта в приёмное отверстие масс-спектрометра и наведение ИК-спектрометра на различные объекты на поверхности Луны. Также исследовались возможности ЛМК копать и забирать пробы грунта в крио-вакуумной камере вертикального типа с использованием имитатора лунного реголита, замороженного до криогенных температур в вакууме с добавлением водяного льда.

Рассматриваются сложные робототехнические системы, их свойства, признаки и взаимодействия, предложено определение сложной системы на основе 5-ти свойств: открытости, неизоморфной изменчивости трех видов (структурной, пространственной и информационной), двойного кода, агрегирования событий и нарушения физических симметрий. Влияние нарушений физических симметрий на определение оптимальных траекторий управления сказывается в парадигме подхода к исследованиям сложных робототехнических систем, которые не формализуются как математические объекты. Сформулированы основные понятия, постулаты и гипотезы. Описаны идеальные конструкции изменчивости сложных систем; энергетических причинных множеств; энергии; событий, причин, следствий и эволюций; пространства-времени, квантов и вакуумов; взаимодействия индивидов; операторов физических взаимодействий, агрегированных событий, текстов и вложений слов. Предложены и кратко описаны три основные модели для исследования сложных систем - модель физических взаи-модействий, нейролингвистическая модель и модель управления при неполной совместимости. Приведена структура ядра платформы физического имитационного моделирования для исследований сложных систем. Описаны три типа квантов моделирования по пространству-времени - минимальный, семантический и эволюционный. Дана иллюстрация результатов применения предложенного подхода к исследованию действий сложных систем. Отмечено, что образующаяся математическая структура проявляет свойства фрактала. Выделены типовые траектории эволюции - «гомеостат»; «затухание действий»; «инвариант»; «катастрофа»; «окно возможностей». Приведен ряд принципов исследований сложных систем методологического и методического характера. Даны рекомендации по области применения предложенного подхода.

В работе рассмотрена содержательная и формальная постановки проблемы синтеза системы управления группой наземных робототехнических комплексов (РТК). Проведена декомпозиция данной проблемы на ряд частных научных задач: задачу обоснования структуры системы управления, разработку метода определения эмерджентности системы управления и разработку метода оценки качества системы управления и эффективности её применения. Показано, что отличительными чертами данной проблемы являются: стохастический характер показателя эффективности - вероятности достижения цели операции, неопределенность условий применения группы РТК и большой размер пространства проектирования системы управления. Проблема роста пространства проектирования продемонстрирована методическим примером. Для снижения трудоёмкости анализа размера пространства проектирования автором настоящей статьи предлагается использование декомпозиционного подхода, который заключается в обосновании «опорного» (базисного) варианта структуры системы управления и начальной её декомпозиции. Новизна в реализации подхода заключается в совместном рассмотрении «метода группового управления» и принципа иерархической структуризации системы группового управления. Такой подход позволяет обоснованно получить базисные решения по структуре системы управления, что, в свою очередь, позволяет осуществлять в дальнейшем параметрический синтез систем управления и проводить сравнительную оценку решений по критерию «качество-стоимость».