Выбор критериев и классификация мобильных робототехнических систем на колесном и гусеничном ходу

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

В.А. Корсунский, К.Ю. Машков, В.Н. Наумов

Выбор критериев
и классификация мобильных
робототехнических систем
на колесном и гусеничном ходу

Допущено УМО вузов РФ по образованию в области
транспортных машин и транспортно-технологических
комплексов в качестве учебного пособия для студентов
вузов, обучающихся по специальности
«Автомобиле- и тракторостроение»

Москва
2014

УДК 621.865.8 (075.8)
ББК 32.816
К69

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/124/book76.html

Факультет «Специальное машиностроение»

Кафедра «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные
роботы»

Рекомендовано Учебно-методической комиссией факультета
«Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Рецензенты: д-р техн. наук C.Б. Шухман,
д-р техн. наук С.В. Бахмутов

Корсунский В. А.
К69
Выбор критериев и классификация мобильных робототехнических 
систем на колесном и гусеничном ходу : учеб. пособие
/ В. А. Корсунский, К. Ю. Машков, В. Н. Наумов. — М. : Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 45, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-3881-5
Проанализированы различные определения терминов «робот» и
«робототехническая система» (РТС). Приведены классификационные
признаки робототехнических систем и выполнен анализ различных
критериев классификации. Представлена обобщенная структура РТС.
Рассмотрены категории рабочих сред, в которых функционируют мобильные 
РТС. Установлены границы параметрических рядов масс
мобильных роботов.
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности
«Автомобиле- и тракторостроение».
УДК 621.865.8 (075.8)
ББК 32.816

ISBN 978-5-7038-3881-5
c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014
c⃝ Оформление. Издательство
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014

ВВЕДЕНИЕ

При разработке сложных технических систем, таких, например, 
как робототехнические системы (РТС), возникает целый ряд
задач, включающих в себя процедуры принятия решений, оценку 
характеристик, выбор критериев, установление свойств. Выбор
определенной стратегии из нескольких альтернативных, классификация, 
разработка концепции являются весьма сложной проблемой,
для решения которой требуется анализ множества различных факторов. 
Чаще всего альтернативные характеристики или критерии
не могут быть полностью определены параметрами, имеющими
точное количественное измерение. Поэтому возникает необходимость 
сочетать количественные и качественные оценки по неравнозначным 
характеристикам с точки зрения их влияния на такой
предмет выбора, как РТС в целом. Высокая значимость совершаемого 
выбора и его последствий делает сомнительной возможность
«интуитивного» решения таких задач.
Существует ряд методов комплексной многокритериальной
оценки:
• метод балльных оценок;
• метод взвешенных оценок;
• метод Дельфи;
• метод Саати и др.
Метод Саати позволяет ранжировать предлагаемые альтернативные 
схемы или решения по выбранным критериям с учетом
значимости последних. По сравнению со сходными методами этот
метод имеет ряд преимуществ, особенно проявляющихся при его
инженерном применении [1].

3

Например, классификация транспортных средств (легковых
автомобилей, автомобилей высокой проходимости, тракторов, тягачей, 
автобронетанковой техники, мобильных роботов или планетоходов) 
предусматривает их деление на классы по признакам
функционального назначения, по способу управления, по весовым 
параметрам (по массе), по ресурсу и т. п. Однако все эти
классификационные признаки взаимосвязаны.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛАССИФИКАЦИОННОЙ
СТРУКТУРЫ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

1.1. Цель классификации

Целью классификации является нахождение общих свойств
(признаков), присущих РТС, по которым осуществляется группирование 
объектов. Классификация представляет собой последовательный 
и итеративный процесс.
Трудности при разработке классификации РТС, являющихся
многофункциональными системами, обусловливаются широким
выбором возможных решений.
Введем некоторые определения.
Классом, в широком смысле этого слова, называется множество
объектов, связанных общностью структуры и поведения.
Самый главный класс будем называть суперклассом, а подклассом — 
класс, производный от суперкласса.
Если один класс повторяет структуру и поведение другого класса, 
то говорят о простом наследовании, a если класс повторяет
структуру и поведение нескольких классов — то о множественном
наследовании.
При разработке любой классификации кандидаты для классов
и объектов, выбираются, как правило, из реальных объектов, событий, 
возможных ролей и их взаимодействий.
В объектно ориентированном анализе выделяют три подхода к
классификации, которые включают в себя [2]:
• классическое распределение по категориям (группирование
по свойствам);
• концептуальное объединение (группирование по некоторой
концепции);

5

• теорию прототипов (группирование объектов по некоторым
признакам схожести с прототипом).

1.2. Определение термина «робототехническая система»

Прежде чем приступить к разработке классификации, необходимо 
определить, что в настоящее время подразумевается под понятием 
РТС. Следовательно, необходимо начать с терминологии,
чтобы не допускать в дальнейшем двоякого толкования одних и
тех же объектов.
Под термином РТС в научно-технической литературе понимается 
техническая система, характеризующаяся наличием одного
или нескольких роботов [3].
По определению, РТС могут состоять из одного, двух или нескольких 
роботов, объединенных при выполнении каких-либо технологических 
операций в систему. Таким образом, в самом толковании 
термина РТС изначально заложен количественный критерий
классификации.
Робототехнические системы могут быть подразделены на следующие 
классы: информационные, управляющие, мобильные
(движущиеся) и манипуляционные.
Информационные и управляющие РТС представляют собой 
комплексы измерительно-информационных и управляющих
средств, автоматически производящих сбор, обработку и передачу
информации для формирования различных управляющих сигналов. 
На промышленных предприятиях они являются системами
автоматического контроля и управления процессами производства. 
Для исследовательских работ (в атмосфере, в космосе, на
планетах, под водой и т. п.) в состав таких РТС входят средства
передвижения и защиты от воздействия окружающей среды.
Мобильные (движущиеся) РТС обеспечивают, как правило,
автоматическое перемещение полезной нагрузки в пространстве.
Они имеют запрограммированный маршрут движения и (или) автоматическое 
адресование цели, а также оснащаются различными
типами движителей: колесными, гусеничными, шагающими, реактивными, 
водометными и т. п. В состав мобильных РТС часто
включают манипуляторы.

6

Манипуляционные РТС предназначены для имитации двигательных 
функций руки человека. Наибольшее практическое применение 
эти системы получили в промышленности, поэтому их
называют промышленными роботами. Манипуляционные роботы
относятся к обширному классу машин, оснащаемых манипуляторами. 
По определению, манипуляционный робот — это робот, предназначенный 
для выполнения работ универсального характера, исполнительными 
устройствами которого служат манипуляторы.

1.3. Определение термина «робот»

Oсновной единицей, входящей в состав РТС, является робот,
поэтому необходимо определить, что понимается под этим термином.

Слово «робот» было впервые использовано в 1920 г. чешским 
писателем К. Чапеком в научно-фантастической пьесе RUR
(Rossum’s Universal Robots), в которой описано производство таких 
механизмов. По словам героя пьесы Гарри Домина, под роботом 
следует понимать техническое устройство, предназначенное
для воспроизведения некоторых (рабочих) двигательных функций
человека и обладающее необходимыми для этого механизмами и
системами получения, преобразования энергии и информации [4].
Первоначально под определением «робот» понимались искусственные 
антропоморфные механизмы, имеющие высокую степень
интеллекта.
Под антропоморфизмом понимается способность робота воспринимать 
от окружающей среды те же сигналы, что и человек, и
выполнять с помощью исполнительных механизмов сложные движения. 
Способность робота адаптироваться, решать сложные и разнообразные 
задачи без изменения в структуре системы позволяет
считать его многоцелевой системой.
По прошествии времени робототехническими устройствами
стали называть широкий класс автоматических или полуавтоматических механических устройств.
В словаре русского языка [5] роботом называется автомат, очертаниями 
напоминающий фигуру человека и своими действиями
производящий впечатление человеческой работы.

7

В современной технической литературе термин «робот» имеет
очень широкое толкование. Так, в справочнике [3] роботом называется 
автоматическая машина, включающая перепрограммируемое
устройство управления и другие технические средства, обеспечивающие 
выполнение тех или иных действий (в зависимости от назначения 
робота), свойственных человеку в процессе его трудовой
деятельности.
В [6] роботом назвали принципиально новый тип технического
устройства, обладающего в достаточно развитом варианте искусственным 
интеллектом — способностью воспринимать окружающую 
среду и активно воздействовать на нее, изменяя в соответствии 
с определенными априорными целями и самосовершенствуясь в ходе этого процесса.
В [7] приводится несколько определений слова «робот». Так,
роботом называется сложная система, оснащенная датчиками, воспринимающими 
информацию об окружающей среде, исполнительными 
механизмами, воздействующими на объекты окружающей
среды, способная целенаправленно вести себя в окружающей обстановке. 
Роботом называется также универсальная машина или
система машин, которая, подобно человеку, способна выполнять
множество различных задач в априорно неизвестных условиях.
Здесь же под роботом понимается устройство, способное выполнять 
многофункциональные двигательные задачи в трехмерном
пространстве.
В [8] роботом называется сложный машинный агрегат, предназначенный 
для выполнения различных движений человека, который 
в ряде случаев должен быть оснащен устройствами, заменяющими 
органы чувств человека, системами искусственного интеллекта.

В [9] роботами назван класс технических систем, которые в
своих действиях воспроизводят двигательные и интеллектуальные
функции человека.
В [10] робот определен как сложная автоматическая кибернетическая 
система, способная выполнять разнообразные операции,
относящиеся к сфере человеческой деятельности, и сочетающая в
различных отношениях подражательную способность физической
и умственной деятельности человека.

8

Словарь английского языка Вебстера дает следующее толкование 
слову «робот»: автоматическое устройство, напоминающее
формой человека и выполняющее функции, обычно присущие человеку 
или машине.
В иностранной технической литературе [11] роботом называется 
перепрограммируемый многофункциональный манипулятор,
созданный для перемещения материалов, деталей, орудий или специализированных 
устройств посредством разнообразных программируемых 
движений для выполнения широкого круга задач.
В работе [12] робот определяют как программируемую машину, 
действующую автономно, способную перемещать объекты по
траектории с большим количеством точек. Количество и характеристика 
этих точек должны быть легко и быстро изменяемы путем
перепрограммирования; рабочий цикл машины должен начинаться
и продолжаться в зависимости от внешних сигналов без вмешательства 
человека.
Как следует из приведенного выше списка определений, различные 
авторы термину «робот» дают весьма широкое толкование.
Необходимо из этого широкого списка выделить некие обобщающие 
признаки, с помощью которых можно будет производить
классификацию.
Сформулируем следующее определение термина «робот». Робот 
представляет собой универсальную перепрограммируемую
или самообучающуюся машину, управляемую оператором либо
действующую автоматически, предназначенную для выполнения
вместо человека многообразных задач, как правило, в априорно
неизвестных условиях.

2. ПРИЗНАКИ КЛАССИФИКАЦИИ

2.1. Качественные и количественные признаки
классификации

Различают качественные и количественные (метрические) признаки 
классификации.
Качественный признак отражает наличие или отсутствие данного 
свойства у объекта, количественный признак — числовую
характеристику степени проявления свойств у объекта. Понятие
свойства применительно к геометрическим объектам может означать 
любые интегральные или локальные характеристики объектов, 
а также их облик.
Качественные признаки можно трактовать как признаки, принимающие 
два значения: «истинно» — наличие данного свойства,
и «ложно» — при отсутствии данного свойства.
Существует два основных подхода к описанию объектов с помощью 
набора признаков. Первый подход состоит в описании объекта 
в виде некоторой точки в многомерном признаковом пространстве, 
размерность которого равна числу признаков (векторный или
параметрический подход). При соответствующей формализации в
таком описании могут использоваться не только количественные,
но и отдельные надлежащим образом представленные качественные 
признаки.
При втором подходе совокупность качественных признаков
рассматривается как некоторая упорядоченная структура, в которой 
признаки между собой связаны определенными соотношениями (
лингвистический или структурный подход). Допускается
также комбинированное структурно-параметрическое описание

10