Функционал промышленных андроидов догоняет человеческие органы

Параллельные вычисления моделируют человекоподобных роботов

В развитии цифрового земледелия в России и мире находят применение использование параллельных вычислительных алгоритмов в задачах моделирования. В этом направлении российские ученые движутся от моделирования простых соединений с одной степенью свободы до соединений с 6-7 степенями свободы, до создания сложных роботизированных мультисуставных комплексов с 30+ степенями свободы − аналогов многих операций, которые может выполнять лишь рука человека.

ОРУДИЕ КАК ОРГАН

«Для создания робототехнических систем, − отмечает Екатерина Плешакова, первый заместитель руководителя Департамента информационной безопасности по проектам Финансового университета, −  может быть применен параллельный вычислительный алгоритм для объектно-ориентированного моделирования, результаты исследования с моим участием на эту тему опубликованы в журнале Mathematics».

При участии китайских ученых из Engineering Training Center, Shanghai Polytechnic University (China) разработан алгоритм параллельных вычислений в динамической модели манипуляционных роботов, полученный методом Лагранжа–Эйлера. В структуре динамической модели путем ее декомпозиции были выделены независимые компоненты. С помощью технологии объектно-ориентированного программирования описаны классы, соответствующие структурам выбранных компонентов динамической модели. Алгоритмизация параллельных вычислений основана на независимости расчета объектов отдельных классов и последовательности матричных операций. Дана оценка времени выполнения параллельных алгоритмов, полученного ускорения и эффективности использования процессоров.

«Технологии машинного обучения вызывают значительный интерес производителей в приоритетных отраслях экономики, − поясняет Алексей Осипов, руководитель Департамента информационной безопасности Финансового университета. − В рамках развития международного сотрудничества мной проведена открытая лекция для научно-педагогических работников и студентов Института экономики, информационных технологий и профессионального образования ЗКАТУ имени Жангир-хана (Казахстан) на тему «Методы компьютерного зрения для обнаружения и классификации объектов и процессов». Это уникальное исследование, в котором предложено применение компьютерного зрения не только для идентификации объектов, но и классификации процессов. Исследование проводится в AI4CS Lab (Artificial Intelligence for Cybersecurity Laboratory) Финансового университета».

Объектом исследования являются манипуляторные системы, рассматриваемые как составные части антропоморфных роботов. Эти роботизированные системы представляют собой открытые кинематические цепи, образованные последовательно соединенными звеньями друг с другом. Звенья соединены шарнирами, имеющими, как правило, одну степень свободы.

ПЕРСПЕКТИВНАЯ МУЛЬТИСУСТАВНОСТЬ

Поскольку роботы являются механическими устройствами, для их моделирования используются известные методы теоретической механики. Выбор метода существенно определяет структуру вычислительного алгоритма. Эти алгоритмы описывают последовательность вычислений коэффициентов уравнений движения, составляющих динамическую модель робота.

Если траектории движения робота задать по условию задачи, то необходимые силы в приводах можно определить исходя из законов изменения обобщенных (сочлененных) координат робота, рассматриваемых как функция времени. Для этого необходимо решить систему нелинейных уравнений. Если силы заданы, то путем интегрирования динамической модели, содержащей обыкновенные дифференциальные уравнения, можно определить обобщенные координаты в виде функций времени.

Разработка алгоритмов моделирования систем манипулирования роботами, позволяющих проводить параллельные расчеты отдельных частей их математических моделей, является актуальной задачей, поскольку позволяет решать задачи управления мультисуставными роботами в режиме реального времени. Это стало особенно важным с появлением многопроцессорных вычислительных систем. Однако изучение этого вопроса нельзя считать законченным, так как большинство представленных результатов дается не универсальными методами, а частными решениями.

Рассматриваемый в статье метод основан на объектно-ориентированном подходе к моделированию динамики роботизированных манипуляторных систем. Разработанный метод позволяет повысить эффективность работ, связанных с составлением параллельных вычислительных алгоритмов. Это достигается на основе представления математических моделей в виде объектных схем, в которых каждый объект рассматривается как часть математической модели, независимая от других частей-объектов, связанных с ним общей схемой.

Для этого в структуре данных и алгоритмов, используемых при моделировании, выделяются базовые классы, на основе которых создаются другие более сложные классы, из которых уже непосредственно формируются математические модели. Исходный базовый класс принял класс, описывающий структуру и методы работы с матрицами. Введенные нами понятия «класс» и «объект» полностью соответствуют одноименным понятиям, используемым в объектно-ориентированном программировании, реализованным во многих языках программирования высокого уровня.

ПАРАЛЛЕЛЬНОСТЬ ВЫЧИСЛЕНИЙ

Таким образом, математические модели можно собирать из объектов базовых классов как из кирпичиков. Процесс сборки аналогичен сборке изделий из элементов конструктора LEGO, сложные части которого состоят из комбинации основных частей. Для реализации процесса сборки разработан формализм, определяющий правила взаимодействия связанных друг с другом элементов конструктора, являющихся объектами соответствующих классов.

Если объект представляет собой матричную структуру, то операцию умножения двух объектов будем представлять путем присоединения изображения одного объекта к изображению другого объекта, с одной стороны. Матрица, представленная первым объектом, умножается справа на матрицу, представленную вторым объектом.

Рассмотренный в работе алгоритм параллельных вычислений динамической модели, построенный на основе объектно-ориентированного подхода, имеет четыре уровня распараллеливания и может быть дополнен начальным (нулевым) уровнем, соответствующим инициализации данных. Этот алгоритм параллельных расчетов динамической модели роботов на основе объектно-ориентированного подхода может быть реализован с использованием объектных схем. Такие схемы могут быть созданы из объектов, соответствующих геометрической и инерционной моделям, исследуемой системе манипулирования, а также из объектов, соответствующих модели внешней нагрузки.

Использование параллельных вычислительных алгоритмов в задачах моделирования требует, чтобы вычислительные системы имели достаточное количество процессоров. Это требование может быть реализовано на базе многокристальных реконфигурируемых вычислительных систем, созданных на основе использования программируемых логических интегральных схем. Такие вычислительные системы могут адаптироваться к структуре решаемой задачи и обеспечивать реализацию сложных многоуровневых параллельных алгоритмов.

«Системы компьютерного зрения, − подчёркивает Владимир Соловьев, профессор Финансового университета, − уже получили широкое применение в цифровом сельском хозяйстве, описание сравнения наиболее современных алгоритмов компьютерного зрения для идентификации яблок на дереве опубликовано  в научном журнале Agronomy». В исследовании приняли участие ученые из Государственного университета управления (Россия), Российского Государственного Аграрного Университета МСХА (Россия), Engineering Training Center, Shanghai Polytechnic University (China).