Mecatronica - stiinta masinilor inteligente

MECATRONICA - STIINTA MASINILOR INTELIGENTE

1. Notiunea de inteligenta artificiala

Una dintre definitiile inteligentei artificiale, acceptate de comunitatea stiintifica, este cea propusa de catre Marvin Minsky, in conformitate cu care inteligenta artificiala este ,,stiinta care face ca masinile sa indeplineasca sarcini si functii care necesita inteligenta daca ar fi facute de catre om'. Unii cercetatori definesc inteligenta artificiala ca o reproducere sau duplicare a procesului uman de gandire. Cuvantul cheie din definitie este inteligenta.

Inteligenta artificiala reprezinta o materializare a eforturilor incepute in urma cu peste patru decenii, de a face masinile sa gandeasca la fel de inteligent ca oamenii. Termenul este aplicat sistemelor computerizate si programelor capabile sa indeplineasca functii mult mai complexe decat programarea directa, dar inca departe de actuala gandire. Acest domeniu a starnit mari sperante atunci cand calculatoarele au progresat rapid in rezolvarea problemelor de logica si in invatarea jocului de sah. Insa foarte curand s-a inteles ca cele mai dificile lucruri pe care trebuie sa le invete un computer nu sunt logica, matematica sau sahul (definite prin reguli precise care, cu un oarecare efort, pot fi exprimate intr-un limbaj accesibil computerelor), ci acelea legate de bunul-simt, cu care oamenii s-au nascut sau pe care l-au dobandit. Astfel, in contextul inteligentei artificiale, calculatoarele trebuie invatate sa invete, sa creeze, sa inventeze, sa gandeasca, sa recunoasca, sa navigheze etc. Un calculator nu face decat ceea ce i se spune, este depasita in lumina programelor de inteligenta artificiala.

La baza marii majoritati de variante de inteligenta artificiala sta ipoteza de interpretare a simbolurilor in conformitate cu care activitatea inteligenta poate avea loc prin simpla manipulare a simbolurilor, fara a fi necesara cunoasterea semnificatiilor acestor simboluri.

2. Arhitectura unei masini inteligente

In continuare, prin masina se intelege un obiect manufacturat care interactioneaza cu mediul sau. Pentru aceasta interactiune fie ca ia din mediu energia necesara si o converteste in energie mecanica si caldura disipata, fie manipuleaza informatii.

Din punct de vedere cronologic, au existat masini simple, conduse de catre un operator uman, masini programate sa se comporte intr-un anumit fel, mai avansate decat primele si, in fine, masini cu proprietati senzoriale, cu capacitate de planificare, recunoastere a formelor, navigare, invatare (cu disponibilitati de prelucrare avansata a informatiilor), numite masini inteligente. Acestea au posibilitatea sa isi modifice comportarea ca o adaptare la modificarile din mediul intern si extern.

In acest context, prin inteligenta se intelege capacitatea unui sistem de a atinge un anumit scop sau de a avea a comportare dorita in conditii de incertitudine.

Definitia inteligentei, data mai sus, se refera la un nivel de baza al acesteia, nivelurile mai inalte de inteligenta implementata in masini presupun abilitatea de a invata din interactiunea cu mediul, de a se adapta mediului cu scopul de a atinge un anumit obiectiv, de a formula noi obiective. Inteligenta inglobata intr-o masina are rolul de a imbunatati performantele ei functionale, de a face masina mai prietenoasa cu utilizatorul si cu mediul.

Masinile inteligente interactioneaza cu mediul lor prin intermediul unor intrari (informatii, energie, material, actiune mecanica a mediului asupra masinilor), precum si al unor iesiri (informatii, energie, actiuni exercitate de masini asupra mediului).

Masinile inteligente pot opera individual sau conectate in cadrul unor sisteme. In acest ultim caz, performantele globale ale acestor sisteme sunt mai bune decat suma performantelor masinilor componente. De asemenea, masinile inteligente opereaza autonom, fara un control total al operatorului uman, dar cu posibilitatea de a colabora cu acesta, opereaza in medii nestructurate, ce pot fi periculoase sau lipsite de confort. Domeniile lor de aplicabilitate sunt variate: inginerie nucleara, industrie alimentara, tehnica acrospatiala, constructii, transport, inginerie biomedicala, exploatare minereu, gaz, petrol, stingere incendii, aplicatii militare, interventii subacvatice etc.

fig. 1. Arhitectura  unei masini inteligente

Astfel, o masina inteligenta cuprinde urmatoarele subsisteme de baza

a. Subsistemul de perceptie, care are rolul de a colecta, stoca, procesa si

distribui informatii despre starea actuala a masinii si a mediului in care opereaza,

b. Subsistemul de cunoastere, care are rolul de a evalua informatiile

colectate de subsistemul de perceptie si de a planifica actiunile masinii,

c. Subsistemul de executie, responsabil cu desfasurarea tuturor actiunilor

masinii, pe baza instructiunilor de la celelalte doua subsisteme

Referat: Ferastrau circular cu masa mobila Referat: Criterii pentru aprecierea rezistentei la foc

d. Subsistemul de autointretinere are rolul de a mentine masina in conditii

bune de functionare,

e. Subsistemul de conversie a energiei asigura cantitatea si forma de energie

necesare pentru ca toate celelalte subsisteme sa aiba o buna functionare

Componentele fizice din structura acestor subsisteme sunt: senzorii si traductorii, actuatorii, microprocesoarele, retelele de comunicatii, dispozitivele de intrare/iesire, efectorii finali, sursele de energie etc.

3. Definirea functiilor de baza ale unei masini inteligente

Materializarea acestor functii se poate urmari mai usor considerand urmatorul exemplu: la iesirea unei masini automate de insertie a componentelor electronice pe o placa cu circuite integrate este instalat un sistem de control al calitatii bazat pe inspectie vizuala, ce functioneaza astfel: o camera video observa placile la iesirea din masina, pe baza semnalelor primite de la aceasta camera este construita o reprezentare interna a obiectului observat (prin metode de recunoastere a formelor si extragere de caracteristici); reprezentarea computerizata a placii este comparata cu reprezentarea placii asamblate corect, daca rezultatul acestei comparatii sugereaza ca operatia nu a fost executata corect sau daca aprecierea nu este concludenta, este generata o comanda de eliminare a placii de pe linia de fabricatie, toate placile eliminate sunt analizate cu scopul de a rezolva ambiguitatile (daca exista) sau pentru a diagnostica defectele, in final, este comandat si realizat un raport cu privire la rezultatele acestei analize.

Pentru acest exemplu, subsistemul de perceptie observa placile prin intermediul camerei video si construieste reprezentarea interna a obiectului observat care, in mod normal, contine suficiente informatii referitoare la caracteristicile placii pentru a permite luarea unei decizii privind corectitudinea operatiei de insertie a circuitelor integrate. Subsistemul de cunoastere compara reprezentarea realizata de subsistemul de perceptie cu reprezentarea placii asamblate corect, trimite o comanda subsistemului de executie pentru a elimina placile incorect-asamblate, diagnosticheaza defectele si comanda, realizeaza un raport printat referitor la aceasta diagnosticare. Subsistemul de executie asigura functia 'trece/nu trece' pentru placi si completeaza, arata si tipareste raportul amintit mai inainte.

Nu exista metode generale de a determina granitele dintre perceptie, cunoastere si executie. Aceste functii distincte ale unei masini inteligente nu sunt in mod obligatoriu implementate ca si componente fizice sau subansambluri diferite.

Traductoare

A Traductoare de pozitie

Masurarea cu precizie a deplasarilor (implicit a pozitiei) este necesara in multe aplicatii de mecanica fina, robotica etc. De exemplu, in cazul robotilor, sistemul de control trebuie sa primeasca date despre pozitia fiecarei articulatii in scopul calcularii pozitiei finale.

Utilizarea traductoarelor de pozitie permite ca, pe baza unui algoritm corespunzator, sa se calculeze pozitia efectorilor finali (observatie: calculul are un anumit grad de aproximare). Utilizarea senzorilor de vedere si a celor tactili permite masurarea pozitiei efectorilor finali (ceea ce din punct de vedere al controlului este preferabil). Traductoarele fac parte din sistemul proprioceptiv pe cand senzorii de vedere si tactili fac parte din sistemul exteroceptiv. Cel mai simplu traductor de pozitie este potentiometrul. Acesta converteste o deplasare mecanica intr-un semnal electric, pe baza principiului divizorului de potential.

In cazul traductorului inductiv de deplasare, elementul sensibil este un inductor a carui inductanta este in functie de deplasarea de masurat. In cazul traductorului capacitiv de deplasare, elementul sensibil este un condensator a carui capacitate electrica poate varia prin deplasarea unei armaturi. Cele trei tipuri prezentate genereaza un semnal de iesire analogic

Riglele optice (numite si codificatoare optice) transforma o intrare de natura mecanica, de exemplu pozitia unghiulara a unui arbore, intr-un semnal de iesire de natura electrica, prin intermediul luminii.

B.Traductoare optice

Traductoarele optice convertesc o intrare de tip energie electrornagnetica (lumina) intr-un semnal electric de iesire. Lungimea de unda poate fi intre 100 nm si 1000 nm insa domeniile de interes sunt: spectrul vizibil, banda de ultraviolete si banda de infrarosii.

In functie de natura fenomenelor ce determina conversia, avem:

efectul fotoelectric intern: cand conductivitatea materialului fotosensibil

creste datorita generarii de perechi electron,

efectul fotoelectric de jonctiune: este similar celui precedent dar se

refera la proprietatile jonctiunii

efectul fotoelectric extern: are loc cand electronul primeste energie

pentru a deveni electron liber.

Fotorezistorul este realizat din materiale semiconductoare si are o caracteristica de transfer logaritmica . Acesta are un raspuns lent si semnificativ, ceea ce conduce la utilizarea lui doar in aplicatii de joasa frecventa.

Fotodioda este o jonctiune polarizata invers. Curentul de polarizare variaza in functie de intensitatea radiatiei luminoase incidente. In absenta iluminarii, caracteristica este identica cu caracteristica unei diode obisnuite, curentul invers numindu-se curent de intuneric.

Fotomultiplicatorul este un dispozitiv fotoemisiv vidat ce contine un fotocatod, o serie de electrozi multiplicatori de electroni denumiti dinode, si un anod. Fotocatodul este o suprafata fotosensibila ce consta dintr-un suport acoperit cu un material opac, ale carui caracteristici permit ca o portiune din energia radianta incidenta sa fie utilizata pentru eliberarea de electroni. Electronii sunt accelerati de tensiunile de polarizare spre dinode. Acestea sunt placate cu un material ce permite emisii secundare si, prin urmare, efectul de multiplicare in curent.

Traductoarele de tip matrice optica sunt bazate pe 'arii' de elemente fotoelectrice. Sunt bidimensionale, caz in care se numesc dispozitive de imagine bidimensionala sau monodimensionale, caz in care se numesc dispozitive de imagine liniare.

C.Traductoare de viteza

Tahogeneratorul este in esenta un generator rotativ de mica putere ce genereaza la iesire o tensiune electrica proportionala cu turatia. El utilizeaza principiul inducerii unei tensiuni electromotoare intr-un conductor ce se deplaseaza intr-un camp magnetic, tensiune proportionala cu viteza de deplasare.

Pot masura viteza direct (de exemplu tahogeneratorul) sau indirect (se bazeaza pe masurarea pozitiei si prelucrarea semnalului de pozitie prin intermediul sistemelor electronice).

Discurile codificate utilizate in masurarea pozitiei pot masura si viteza. Pe arbore se depun zone de substanta (vopsea) ce vor reflecta in mod diferit lumina emisa de sursa. Se remarca utilizarea unei perechi led - fotodioda.

D.Traductoare de forta

fig.1. Traductorul rezistiv de forta

Traductoare1e de forta realizeaza conversia energiei mecanice in energie electrica prin masurarea deformatiei fizice produsa de o forta. Deformatia poate fi cauzata direct sau indirect, cand forta actioneaza asupra unui element elastic, producand o deformatie sau deplasare.

Masurarea directa a fortei este utilizata in principal la senzorii tactili

Traductoarele de forta sunt de trei tipuri

rezistive,

semiconductoare,

- nonrezistive.

Cele rezistive si semiconductoare sunt denumite traductoare tensometrice. Elementul principal il constituie 'doza' de masurare ce contine un element elastic din otel, de forma cilindrica, inelara sau paralelipipedica. Traductoarele tensometrice se plaseaza in numar de minimum patru pe peretele elastic, doua dupa directia solicitarii si doua perpendiculare pe aceasta directie. Variatia fortei produce o modificare a unei dimensiuni si implicit a rezistentei (semi) conductorului din care este realizat traductorul.

Traductoarele rezistive sunt realizate sub forma unei pelicule metalice, de obicei de cativa microni grosime, depuse pe un suport cum ar fi poliesterul. Se obtin traductori prin tehnici similare celor utilizate in industria microelectronica, ceea ce conduce la o buna reproductibilitate si la tolerante reduse.

5. Senzori

A.Senzori de vedere

Obtinerea unor informatii despre mediul inconjurator poate fi realizata prin utilizarea sistemelor de achizitii de date de tip vedere artificiala. Un element important al acestor sisteme este iluminarea obiectelor. Scopul iluminarii este obtinerea unei delimitari intre obiectul vizat si fond, precum si reliefarea principalelor caracteristici ale obiectelor.

In cazul sistemelor pasive de vedere (de exemplu, cele ce utilizeaza camere de luat vederi), iluminarea naturala sau artificiala poate fi inacceptabila in sensul ca poate fi prea slaba, poate produce umbre sau suprailuminari. Senzorii activi de vedere produc propria iluminare a obiectului vizat, iar aceasta iluminare este adaptata necesitatilor.

Pentru senzorii pasivi de vedere, sunt utilizate doua tehnici de iluminare:

iluminarea directa (permite distinctia usoara a obiectelor intunecate pe

fond deschis sau invers),

iluminarea prin reflexie (produce detalii ale suprafetei obiectului).

Ambele tehnici prezinta avantaje si dezavantaje.

Senzorul de vedere este 'invatat' sa recunoasca obiectele prin memorarea unor caracteristici ale acestora: numar de gauri, dimensiuni, forma etc. Pentru recunoasterea obiectelor trebuie create conditii de iluminare si de pozitionare a obiectului vizat. Obiectele izolate si intr-o stare stabila pot fi recunoscute usor, insa obiectele suprapuse sau in miscare spatiala sunt dificil de interpretat prin utilizarea senzorilor de vedere binari. Senzorii vizuali cu nivele de gri, produc la iesire o imagine ai carei pixeli sunt cuantizati intr-un numar de nivele obtinute prin convertirea semnalului traductorului optic analogic intr-un semnal numeric.

B.Senzori tactili

Senzorii tactili sunt utilizati pentru detectarea si masurarea unei distributii de forte intr-un spatiu dat. Ei permit depasirea unor limitari ale senzorilor de vedere si de multe ori se utilizeaza impreuna cu acestia. Senzorii tactili au fost dezvoltati atat in scop industrial (roboti), cat si medical (proteze pentru handicapati). Prinderea si manipularea obiectelor trebuie sa respecte anumite conditii. Astfel, putem face o distinctie evidenta intre prinderea unui obiect rigid (greu deformabil) si a unui obiect fragil.

Prin urmare, este necesara o analiza a obiectului, astfel incat acesta sa fie suficient de strans (pentru a nu-l scapa) dar fara a se depasi o anumita limita (peste care obiectul este distrus). Analiza obiectului poate insemna masurarea masei, volumului (implicit densitatea), temperaturii, elasticitatii etc.

Calitatea unui sistem de senzori utilizati in constructia unei maini mecanice depinde de: pretul de cost, viteza de lucru, procentul de erori, domeniul (larg, ingust), de aplicabilitate, adaptabilitatea (calitatea unui sistem de a se adapta usor la un anumit tip de sarcina), modul de interfatare a sistemului fizic la senzori, modularizarea, interfatarea cu operatorul uman, orientarea spatiala (numarul gradelor de mobilitate) etc.

Senzorii tactili se bazeaza pe utilizarea de traductoare de forta directa, adica dispozitive ce masoara deformatia mecanica produsa de o forta ce actioneaza direct asupra traductorului.

C.Senzori tactili rezistivi

Functionarea acestor senzori se bazeaza pe variatia rezistentei electrice a unui element rezistiv (fibre de carbon) ca urmare a deformatiei produse de forta aplicata. Masurarea variatiei rezistentei se face de-a lungul sau perpendicular pe vectorul fortei aplicate.

Distanta intre electrozii superiori si cei inferiori se reduce prin actiunea fortei F si conduce la micsorarea rezistentei electrice intre punctele stratului superior si punctele stratului inferior. Masurand aceste rezistente, se obtine o imagine spatiala a deformatiilor produse de forta F.

D.Senzori tactili capacitivi

Se bazeaza pe variatia capacitatii electrice a unui element capacitiv urmare a deformatiei produse de forta aplicata. Se utilizeaza pentru masurarea presiunilor mari, datorita unei constructii mai robuste.

E.Senzori tactili optici

Se bazeaza pe modificarea caracteristicilor de absorbtie a luminii intr-un mediu transparent ca urmare a actiunii unei forte.

Mediul transparent poate fi reprezentat de fibrele de sticla, sau material plastic transparent.