Лабораторные роботы

Разумеется, первые образцы промышленных и других роботов появляются не в цехах заводов или каких-либо отделах предприятий, а в научно-исследовательских институтах, где инженеры-конструкторы совместно с учеными создают проекты робототехнических устройств, предназначенных для выполнения конкретных трудовых действий, и испытывают их на моделях, все более совершенствуя последние и "доводя" их до возможности и целесообразности серийного изготовления или выпуска отдельных небольших групп и даже единичных экземпляров роботов, в которых нуждается то или иное предприятие. Но бывает и так, что специалисты по робототехнике опережают запросы практики и разрабатывают такие модели роботов, которые позволяют им выяснить функциональные возможности этих машин и успешно развивать различные направления самой робототехники. Можно сказать, что в этом случае они создают "роботы ради роботов", т. е. специально конструируют робототехнические системы для научных исследований в области робототехники. Предназначенные для этих целей устройства мы будем называть в дальнейшем в отличие от применяемых в промышленности лабораторными роботами. Они образуют как бы передний фронт современной робототехники, нынешнее победное шествие которой во многом обязано впечатляющим результатам исследований, проведенных с лабораторными роботами. Свой подробный рассказ о применении роботов мы и начнем с них.

Итак, лабораторные роботы представляют собой относительно немногочисленные, но весьма разнообразные конструкции. Говоря о них сегодня, имеют в виду обычно наиболее совершенные с точки зрения "интеллекта" модели. Тем не менее очевидно, что понятие "лабораторный робот" весьма изменчиво: образцы, которые лишь недавно относили к лабораторным, теперь уже стоят в цехах заводов, трудятся там, где это необходимо человеку. Один из лабораторных роботов-сварщиков показан на рисунке 54.

Рис. 54. Лабораторный робот-сварщик

Однако было бы неправильно рассматривать лабораторных роботов только как экспериментальные образцы, которые в случае удачной конструкции будут применены в какой-либо области человеческой деятельности. Специфика робототехники такова, что многие ее устройства, особенно предназначенные для использования в агрессивных средах, сразу же проектируются и отрабатываются как уникальные системы, создаваемые часто в единичных экземплярах. Более того, среди лабораторных роботов немало моделей, которые конструируются без расчета на промышленное или конкретное практическое применение: они предназначены для нахождения путей и средств модернизации и улучшения систем управления, в том числе работающих в диалоговом режиме, совершенствования систем технического зрения, искусственного слуха, голоса и т. д.

"Родоначальником" этого типа роботов является упоминавшийся нами ранее первый робот второго поколения, созданный в лаборатории Станфордского университета: для него была сконструирована довольно совершенная система технического зрения, позволявшая ему различать не только форму, но и цвет предмета, а также система управления, способная понимать устные команды, подаваемые оператором, и "речевая" система, с помощью которой робот обращался к оператору с вопросами (следует заметить, что набор команд, т. е. слов, которые понимает и может "произнести" станфордский лабораторный робот, был невелик - порядка нескольких десятков слов). У этого робота уже практически реализованы элементы искусственного интеллекта - его система управления имеет все уровни иерархии, включая стратегический. Робот может при необходимости самостоятельно передвигаться по лаборатории, поворачиваться так, чтобы манипулятор доставал до нужных точек пространства. Глядя на то, как он собирает цветную пирамидку или строит из кубиков пространственные геометрические фигуры, можно подумать, что эта машина действительно обладает разумом. Изучение "поведения" этого робота создало базу для научно обоснованного предположения о различных интеллектуальных возможностях робототехнических устройств третьего поколения. Ведь в лаборатории, где он создан, исследуют и отлаживают математическое обеспечение именно "интеллектуальных" роботов.

Лабораторный интерактивный робот третьего поколения сконструирован, например, в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана. Манипулятор этого робота имеет 6 звеньев, что позволяет ему совершать достаточно сложные движения в пространстве. Система его управления, собранная на микроЭВМ "Электроника-60", получает информацию об окружающей среде с помощью телекамеры и разнообразных датчиков. Поскольку память "Электроники-60" представляет собой гибкий магнитный диск, на который записана программа действий, робот легко переналаживается на выполнение новых операций: для этого достаточно сменить диск с магнитной записью программы. Эту лабораторную робототехническую систему можно считать прообразом будущих промышленных роботов с искусственным интеллектом, работающих в интерактивном режиме.

Большой размах приобретают исследования, цель которых-сделать более совершенной сенсорную систему робота. Очевидно, что без этого не удастся достичь правильности и эффективности его действий. Особое значение придается "визуальным способностям" робототехнических устройств- совершенствованию технического зрения, как можно более полному приближению его возможностей к возможностям человеческого глаза. Это исключительно сложно. Чтобы представить себе трудность этой задачи, сравним те "средства", которыми располагают "органы зрения" робота и человека. В видеокамерах черно-белого изображения ("глазах" робота) картина увиденного строится только 512x512 элементами, тогда как сетчатка глаза имеет порядка миллиона светочувствительных элементов, а "предварительную обработку" информации для определения углов кривизны, перемещений объектов, находящихся в поле зрения, осуществляют 20 млн нейронов. Пока впечатляющих успехов на пути усовершенствования систем технического зрения достичь не удалось. Вот каковы, например, результаты испытаний одной из систем искусственного зрения, которой был оснащен подвижный лабораторный робот, имеющий вид самодвижущейся тележки размером с небольшой столик. Управлял им по специальной программе компьютер, получавший сигналы от телевизионной камеры робота. По модели, построенной компьютером на основе полученной информации, робот выбирал маршрут к месту назначения с обходом препятствий. Этот маршрут в процессе продвижения мог меняться при появлении новых препятствий. Оказалось, что система отличается достаточно высокой надежностью для коротких маршрутов перемещения, однако скорость движения тележки очень мала - она проходит, покачиваясь, всего 1 м за 10-15 мин. Пройдя 1 м, тележка останавливается: принимает новые изображения и длительное время их "обдумывает". Затем вновь выбирается маршрут пути, снова она проходит часть его и вновь остановка. Прохождение в помещении маршрута длиной 20 м, который требовал трех- или четырехкратного изменения курса для обхода препятствий, занимало около 5 ч. Во время экспериментального "выхода" на открытый воздух робот обошел два препятствия, однако столкнулся с третьим. Меньшая надежность искусственного зрения в этом случае объяснялась резкими перепадами освещения на открытом пространстве (переходами от сильно затененных поверхностей к очень ярким), что ухудшало качество изображения, а также перемещением тени самой тележки при ее движении.

После создания этого лабораторного робота прошло уже много лет. Но и современные самые лучшие оптические устройства и видеокамеры еще не могут обеспечить роботу хорошего по человеческим меркам зрения. Эта проблема ждет еще своего решения так же, как и другая, тесно с ней связанная: проблема повышения скорости передачи информации от сенсорной системы робота в его "мозг", увеличения быстроты обработки полученных данных и принятия решений, полностью отвечающих поступившей информации. Не вызывает сомнения, что преимущество людей перед машинами, в том числе перед компьютерами, заключается в их способности к быстрой координации физических действий в ответ на быстро меняющийся комплекс ощущений, вызываемых окружающей средой. Именно поэтому для современных роботов "трудны" такие работы, которые не могут быть заранее запрограммированы и предусматривают принятие решений, зависящих от обстоятельств, или предполагают решение задач, не сводимых к системе математических уравнений. Отработка взаимосвязи между сенсорной и управляющей системами робота, сравнимой по своему действию с комбинацией "глаз - мозг человека", выступает сейчас в качестве главной цели специалистов в этой области, исследующих лабораторные робототехнические устройства.

Здесь следует обратить внимание на то, что проблемы "развития" "чувств" и "интеллекта" роботов, безусловно, представляют собой интереснейшие и очень важные задачи. Но исследования, направленные на их решение, составляют лишь часть (хотя и весьма существенную) всех поисков, ведущихся в области робототехники. С уверенностью можно сказать, что сейчас нет у роботов такого узла, который постоянно не совершенствовался бы; причем идет не только улучшение отдельных узлов, но и разработка различных вариантов их взаимодействия. Однако достигнутые к настоящему времени результаты усовершенствования разных частей и элементов роботов не одинаковы. Наиболее заметны различия в темпах и характере изменений манипулятора и системы управления. У манипулятора постепенно улучшаются в основном количественные характеристики (грузоподъемность, скорость перемещения, точность позиционирования и пр.); при этом параметры лабораторных роботов не слишком опережают аналогичные параметры робототехнических устройств, функционирующих в народном хозяйстве. Система же управления прогрессирует стремительно и в короткий срок изменяется качественно, прежде всего, конечно, у лабораторных роботов, из-за чего разрыв между возможностями роботов, применяемых в народном хозяйстве, и лабораторных роботов оказывается порой огромным.

Но это в какой-то мере неизбежно: наука должна идти впереди практики на магистральных направлениях развития, а для роботостроения таким направлением является создание все более совершенных систем управления, поскольку именно они определяют функциональные возможности роботов и расширение сферы их применения, т. е. их будущее. О нем мы еще поговорим специально, а сейчас покинем стены лабораторий, где рождаются и исследуются модели разнообразных по конструкции и разносторонне "образованных" роботов, и обратимся к окружающей жизни. Какое место роботы в ней занимают? Где они трудятся? Какие конкретно и как выполняют работы?