1. Введение

Разработка высокотехнологичных робототехнических комплексов является актуальной задачей современности. Одним из первых шагов ее выполнения это проработка технического задания (ТЗ). ТЗ — исходный технический документ для проведения работы, устанавливающий требования к создаваемому изделию и технической документации на него, а также требования к объему, срокам выполнения работы и форме представления результатов. Таким образом, от качества составленного ТЗ зависит успех дальнейшей разработки изделия [1], [2], [3], [4].

Для оптимизации процесса выполнения задач разработки документации прибегают к использованию специальных программных продуктов, которые позволяют автоматизировать процесс создания технической документации, в частности на начальном этапе жизненного цикла разработку технического задания [5], [6].

По результатам исследований имеющихся на рынке программных продуктов выявлено, что данные программные продукты позволяют выполнять возложенные на них функции по формированию технического задания на разработку преимущественно программного продукта, но при этом не отвечают требованиям отечественных стандартов и имеют высокую стоимость лицензии. В то же время программные продукты не ограниченные ИТ-сферой не дают полный функционал для корректной разработки ТЗ. Исходный код большинства программных решений является закрытым ввиду коммерческого интереса разработчиков. Таким образом, наиболее оптимальным вариантом решения задачи повышение эффективности процесса создания технического задания для класса проектируемых объектов за счет разработки системы поддержки данного процесса является создание собственного алгоритма, который позволит автоматизировать процесс составления технического задания на робототехническую конструкцию.

Научная новизна разработки системы поддержки создания ТЗ заключается в разработке системы моделей модели ТЗ на конструкцию, которая отражается связи базовой модели ТЗ и модели конструкции. Практическая ценность заключается в разработанном алгоритме формирования технического задания, который позволит в дальнейшем выполнить программную реализацию системы поддержки создания технического задания.

В данной статье рассматривается разработка алгоритма для робототехнических манипуляторов.

2. Описание математической модели технического задания на робототехническую конструкцию

Процесс создания ТЗ на робототехническую конструкцию сложен необходимо учитывать множество характеристик, их сочетание и взаимовлияние (описывается в матрицах взаимовлияния параметров). В связи с этим автоматизация процесса создания технического задания на робототехническую конструкцию важна и включает необходимость разработки модели ТЗ [7], [8].

При автоматизированной разработке технического задания на робототехническую конструкцию процесс включает создание следующих моделей: базовая модель ТЗ, модель конструкции, модель ТЗ на конструкцию.

Модель ТЗ на конструкцию можно описать следующим образом:

где [LATEX_FORMULA]S_{B M}[/LATEX_FORMULA] базовая модель, [LATEX_FORMULA] S_{K M}[/LATEX_FORMULA] модель конструкции, [LATEX_FORMULA]S_{T Z K}[/LATEX_FORMULA] модель ТЗ на конструкцию.

При этом модель ТЗ на конструкцию с позиции теории систем формально можно представить в виде совокупности взаимосвязанных систем:

а) [LATEX_FORMULA]S_{B M}=\left\{R, S_{R}\right\}[/LATEX_FORMULA] система разделов технического задания (структура технического задания), отражающая базовую модель ТЗ;

б) [LATEX_FORMULA]S_{K M}=\left\{K, F, R_{K F}\right\}[/LATEX_FORMULA] система, отражающая модель конструкции, при этом данная система описывает как конструкцию, ее элементы и их взаимосвязи, так и их функции. В данной системе множество K описывает структуру конструкции (РТК), состоящую из составных частей (СЧ) и узлов (компонентов), F система функций составных частей и конструкции, определяющая их функциональные задачи, [LATEX_FORMULA]R_{K F}[/LATEX_FORMULA] множество связей между СЧ, конструкцией и выполняемыми ими функциональными задачами.

Например, для упрощённой конструкции двухзвенного манипулятора (рисунок 1) набор параметров структуры конструкции [LATEX_FORMULA]\kappa=\left\{\kappa_{i j}\right\}[/LATEX_FORMULA], i определяет объект элемент конструкции или конструкцию, а j – порядковый номер объекта. Набор параметров К включает и множество параметров конструкции, и множество параметров элементов конструкции, и множество параметров, определяющих взаиморасположение элементов конструкции в структуре (состав и компоновку элементов в общей структуре конструкции).

Поэтому к параметрам К можно отнести: m масса элемента, L длина элемента (звена), q угол поворота (в шарнире), R расстояние между осью опорного шарнира до конечной точки манипулятора, [LATEX_FORMULA]m_{K}[/LATEX_FORMULA] масса конструкции, а также классификационные параметры наименование конструкции, наименование элемента, назначение элемента и т.д.

Система функций составных частей и конструкции F, описывающая их функциональные задачи [LATEX_FORMULA]F=\left\langle F_{i}, F_{\text {общ }}\right\rangle[/LATEX_FORMULA], где [LATEX_FORMULA]F_{i}[/LATEX_FORMULA] система действий i-ой составной части, [LATEX_FORMULA]F_{\text {общ }}[/LATEX_FORMULA] система действий целой конструкции. Система действий составных частей для данного примера состоит из диапазонов углов поворота q каждого шарнира (система координат полярная), а система функций общей конструкции заключается в наборе координат, которые может достигнуть конечная точка манипулятора при различных сочетаниях значений системы действий составных частей. Таким образом, если предположить, что [LATEX_FORMULA]q_{1}=q_{2}=360^{\circ}[/LATEX_FORMULA], а [LATEX_FORMULA]L_{1}=L_{2}=1 \mathrm{~m}[/LATEX_FORMULA], то рабочей зоной данного манипулятора будет окружность радиусом 2 м, причем рабочая область не будет иметь мертвых зон. Обобщенно функциональные задачи можно сформулировать как «поворот», «перемещение по вертикальной оси», «перемещение по горизонтальной оси» и т.д.

[LATEX_FORMULA]R_{K F}[/LATEX_FORMULA] множество связей между функциональными задачами (F) составных частей, конструкции и параметрами (К) определяют наборы входных и выходных параметров для каждого действия и позволяют решать задачу движения конечной точки конструкции за счет ее разбиения на подзадачи движения составных частей. Входными данными будут являться координаты конечной точки конструкции, длины и масса звеньев, диапазоны возможных углов поворота шарниров и масса объекта манипулирования. Выходными данными будут являться итоговые значения координат звеньев (углов поворота), моменты сил, максимальные значения угловой скорости, углового ускорения, статические и динамические моменты звеньев и прочие необходимые расчетные параметры.

в) [LATEX_FORMULA]S_{O M}=\left\{O, S_{O}\right\}[/LATEX_FORMULA] система ограничений, накладывающихся на модель технического задания, конструкцию, а также на процесс создания ТЗ на конструкцию [9], [10];

г) Z система знаний эксперта, оказывающих влияние на процесс создания технического задания при формировании модели на конструкцию и модели ТЗ на конструкцию.

Для разработки программного решения, позволяющего автоматизировать процесс создания технического задания на робототехническую конструкцию необходимо описать алгоритм. Он содержит процесс формирования ТЗ, работу с исходными данными (известные параметры, перечень необходимых Государственных стандартов (ГОСТов), перечень требований, задача конструирования и т.д.) [4], [5].

3. Алгоритм формирования технического задания

Алгоритм условно разделяется на формирование базовой модели «1», формирование модели конструкции «2», формирование модели ТЗ на конструкцию (итоговое ТЗ) «3», проверку полученной (итоговой) модели ТЗ и, в случае обнаружения несоответствия модели критериям, ручную проверку разработчиком сформированного (итогового) ТЗ [4], [5].

Критериями проверки ТЗ выступают:

· содержательность учтены все необходимые разделы ТЗ;

· однозначность требования имеют конкретный смысл;

· полнота данных достаточно для выполнения задачи;

· формализованность документ составлен в соответствии с нормативной документацией;

· выполняемость задание может быть выполнено (реализуемо).

Если ручная проверка подтверждает наличие ошибок, то алгоритм формирования ТЗ возвращает процесс на этап формирования моделей, в противном случае ТЗ считается готовым и работа алгоритма заканчивается.

Как видно из блок-схемы (см. рисунок 2) алгоритм создания ТЗ содержит несколько вложенных алгоритмов.

1. Алгоритм формирования базовой модели ТЗ.

2. Алгоритм формирования модели конструкции.

3. Алгоритм формирования модели ТЗ на конструкцию (интеграция моделей 1 и 2).

4. Алгоритм проверки сформированного ТЗ.

5. Алгоритм ручной проверки сформированного ТЗ.

Формирование базовой модели ТЗ проводится с учетом базы данных (знаний) необходимых ГОСТов и имеющихся исходных данных (перечень параметров, разделов и требований ТЗ). Затем выполняется процедура уточнения набора параметров, разделов и требований ТЗ с учетом экспертных знаний разработчика. Полученный набор параметров, разделов и т.д. используется в процессе описания взаимосвязей (между разделами, между параметрами внутри разделов, между параметрами из различных разделов в соответствии с картами взаимовлияния). По результатам объединения набора параметров и учета их взаимосвязей формируется базовая модель ТЗ, которая подвергается проверке на полноту (т.е. необходимое и достаточное описание состава ТЗ). Если результат проверки положительный, то на выходе имеется сформированная базовая модель технического задания, в противном случае алгоритм возвращается на этап уточнения набора параметров.

Формирование модели конструкции (см. рисунок 3) проводится с учетом литературных (справочных данных) и перечня параметров конструкции. После выполняется процедура уточнения набора параметров конструкции с учетом экспертных знаний разработчика и имеющихся данных о конструкции и её ранее выпущенных аналогах. Далее разрабатывается описание взаимосвязей параметров конструкции и формируется модель конструкции с необходимым (минимально достаточным) набором параметров. Полученная модель конструкции подвергается проверке на полноту (т.е. необходимое и достаточное описание конструкции). Если результат проверки положительный, но на выходе имеется сформированная модель конструкции, если результат отрицательный алгоритм возвращается на этап уточнения набора параметров конструкции.

Модель ТЗ на конструкцию формируется путём интеграции базовой модели ТЗ (шаблон ТЗ) и модели конструкции (содержание ТЗ). После слияния первичных моделей проводится процедура уточнения параметров и разделов ТЗ с учетом ранее разработанных ТЗ и экспертных знаний разработчика. Сформированное технического задание проверяется на полноту модели ТЗ на конструкцию (т.е. необходимый и достаточный состава ТЗ с наполнением из описания конструкции). При положительном результате проверки получается сформированная модель, в противном случае алгоритм возвращается на этап уточнения набора параметров и разделов ТЗ.

Алгоритм проверки учитывает экспертные знания, данные о ранее разработанных ТЗ, нормативную документацию и справочные (литературные) данные. Проверке подвергаются следующие аспекты: набор разделов, набор параметров, их соответствие исходным данным, первичным моделям (базовая модель ТЗ и модель конструкции) и нормативной документации. Проверка проводится последовательно по аспектам с использованием перебора параметров (при необходимости). Если результат проверки показал наличие ошибок, то проводится ручная проверка, в противном случае алгоритм завершается, а выходным документом будет являться сформированное техническое задание на конструкцию.

Результаты проверки сводятся к критериям проверки ТЗ на содержательность, однозначность, формализованность, выполняемость. С учётом всего набора данных (ГОСТы, справочные материалы, экспертные знания, ранее выпущенные ТЗ) проводится ручная проверка полученного технического задания. Проверяется набор разделов, взаимосвязей разделов, набор параметров, их взаимосвязи в рамках разделов и между разделами, соответствие исходным данным, нормативной документации и первичным моделям (базовая модель ТЗ и модель конструкции). При положительном результате проверки сформированное ТЗ считается верным и окончательным, в противном случае общий алгоритм системы поддержки создания технического задания возвращается на этап работы с исходными данными и формирования первичных моделей.

По сформированному алгоритму была проведена апробация в ручном режиме. Отработка работоспособности алгоритма проведена на примере существующего технического задания на ОКР по разработке конструкторской документации «Промышленный робот компании FANUC CORPORATION модели M-20iA/20M (грузоподъемность до 20 кг)». Результаты апробации в ручном режиме приведены в таблице 1.

Совпадение результатов работы алгоритма и оригинального технического задания составляет ~ 97%. При сравнении модели ТЗ, полученной при ручной отработке алгоритма с оригинальным техническим заданием на ОКР, обнаружены разночтения, связанные с уточнением формальных требований и видением автора (разработчика) данные особенности формирования технического задания невозможно учесть заранее. Однако, при наличии (или накоплении) и постоянного расширения банка разработанных технических заданий возможно свести к минимуму вероятность подобных отличий.

Ошибок в части изложение критических требований не обнаружено, что подтверждает работоспособность предложенного алгоритма процесса создания технического задания, а также вложенных в него алгоритмов формирования моделей базового ТЗ, модели конструкции.

4. Заключение

Разработанный алгоритм формирования технического задания на робототехническую конструкцию, основанный на описанной математической модели учитывает основные этапы создания технического задания и является достаточным для разработки программного решения с целью повышение эффективности процесса создания технического задания для класса проектируемых объектов.

Качественная оценка вычислительной сложности предложенного алгоритма напрямую зависит от размерности множества параметров конструкции N и множества накладываемых ограничений M. Этапы формирования первичных моделей и матриц взаимовлияния выполняются за полиномиальное врем O(N2). Наибольшую вычислительную нагрузку формирует этап автоматизированной проверки, использующий перебор параметров. В предельном теоретическом случае данный этап обладает экспоненциальной сложностью O(2N). Однако практическая вычислительная сложность существенно снижается до приемлемых полиномиальных значений за счет применения системы экспертных знаний Z, которая выполняет роль эвристического фильтра, заблаговременно отсекающего тупиковые комбинации параметров и минимизирующего количество циклов возврата алгоритма на исходные этапы.

В данной статье рассматривается разработка алгоритма формирования технического задания для робототехнических манипуляторов. Апробация проведена для группы шарнирных манипуляторов. Однако стоить заметить, что данный алгоритм может быть использован для других типов робототехнических конструкций, таких типов как SCARA, портальных и мобильных, при уточнении модели конструкции.

The additional file for this article can be found as follows: