Что такое робот

Различные виды "механических людей" создавались еще в XVII, XVIII вв. Это были искусно сделанные механические автоматы, они могли выполнять простые движения, играть на музыкальных инструментах. Создавались и устройства, имитирующие движения человека, его рук или ног. Например, известно, что И. П. Кулибин для офицера, потерявшего ногу выше колена, сделал протез - ногу с шарниром в колене и ступне с механическим управлением, и сделал ее настолько искусно, что офицер мог не только хорошо ходить, но и танцевать мазурку. Как видим, уже тогда создание человекоподобных, антропоморфных, устройств шло по двум направлениям - антропоморфных автоматов и антропоморфных устройств, управляемых человеком. В наше время эта тенденция получила новое развитие в автоматически действующих и дистанционно управляемых роботах.

С развитием техники антропоморфные автоматы качественно изменились, так как появилась возможность создания не только механических аналогий, отражающих внешний эффект движений человека, но и аналогий в поведении, в интеллектуальной трудовой деятельности человека и робота. Устройством, отражающим одну из особенностей живых существ - сохранение параметров внутреннего состояния при изменении внешних воздействий, был гомеостат Эшби (1940 г.). В начале 60-х годов в университете имени Дж. Гопкинса (США) было создано устройство, оборудованное радиолокатором и фотодатчиками, которое перемещалось по коридорам, поддерживая заданную дистанцию от стен. Оно могло самостоятельно находить электрическую розетку на стене, включаться в нее и подзаряжать свои аккумуляторы.

Подобные эксперименты породили гипотезу о том, что аналогии во внешнем поведении автомата и живого существа, быть может, являются более глубокими и отражают общие законы, свойственные как живым существам, так и автоматам. Возникновению такого рода гипотез немало способствовало становление кибернетики, которую ее основатель Н. Винер определил как науку об общих законах управления в живой природе, в технике и в обществе. Однако, признавая, что такие законы существуют и что их открытие дало значительный импульс развитию теории и техники управляемых и информационных систем, вместе с тем необходимо проявлять большую осторожность при проведении аналогий между живым существом и машиной.

Применительно к автоматам, воспроизводящим движения или особенности внешнего поведения живых существ, используется термин "робот", введенный чешским писателем Карелом Чапеком в романе "РУР" (Россумские Универсальные Роботы) и обозначавший механических людей, созданных для замены рабочих. Роботами называют автоматы, применяемые на производстве (начиная с 60-х годов нашего века) с целью замены человека в условиях тяжелого и опасного технологического процесса.

Промышленный робот предназначен для выполнения движений, производившихся до этого рукой рабочего. Здесь имеется аналогия движений человека и автомата по внешним проявлениям и конечным результатам. Но отсутствует аналогия во внутреннем "механизме" движений руки манипулятора (робота) и руки человека, а также в системе управления ими. Промышленные роботы, внедренные в производство, в большинстве своем действуют еще по жесткой программе, хотя и легко переналаживаемой. Таким образом, аналогия между человеком и автоматом в таких роботах (первого поколения) заканчивается внешним сходством в движениях рук. Роботы же следующих поколений - адаптивные, с элементами искусственного интеллекта,- позволяют говорить о более глубокой аналогии.

Вначале остановимся на самом понятии "искусственный интеллект". Его обычно связывают с новым научным направлением, одной из задач которого является воспроизведение на вычислительных машинах некоторых интеллектуальных функций человека. Это направление нашло свою практическую реализацию и в робототехнике. К функциям искусственного интеллекта можно, в частности, отнести анализ с помощью ЭВМ реальной технологической обстановки, например распознавание деталей на конвейере или чтение машиностроительного чертежа. Это может быть также принятие решений, обеспечивающих в конечном итоге выполнение поставленной перед ЭВМ задачи - доказательство теоремы, игра в шахматы и т. д., либо планирование технологических операций. Проводились работы, направленные на решение машиной таких сложных интеллектуальных задач, как перевод с одного языка на другой. Близкая проблема - понимание машиной человеческого языка, например языка оператора, дающего указания роботу. Однако это не означает, что современные ЭВМ могут моделировать любые закономерности мыслительной деятельности - речь идет лишь о принципиальной возможности моделирования такого рода.

Роботом в широком смысле называют электронную вычислительную машину, выполняющую операции, ранее считавшиеся привилегией интеллекта человека. Например, говорят "робот-переводчик", "робот-шахматист" и т.п. Здесь тенденция антропоморфизма проявляется уже в проведении аналогии между "интеллектуальной" работой машины и человека при отсутствии (в отличие от промышленного манипуляционного робота) двигательной, механической аналогии.

На определенном этапе развития техники манипуляторов, с одной стороны, и алгоритмов решения "интеллектуальных" задач - с другой, возникла возможность объединения обоих подходов. Одной из практических попыток в этом направлении была работа Г. Эрнста, который в 1962 г. присоединил манипулятор к вычислительной машине. ЭВМ формировала сигналы управления на электродвигатели манипулятора, используя сигналы о положении механической руки в пространстве, сигналы тактильных датчиков и фотодатчиков, установленных на схвате руки. Это был один из первых манипуляторов, управляемых от ЭВМ (названный МН-1). Программы управления были еще несовершенны: наиболее сложная из них сводилась к тому, что рука перемещалась вдоль поверхности стола и, натолкнувшись на предмет, брала его и сбрасывала в бункер.

Более сложное устройство было построено в Массачусетском технологическом институте (США). Робот представлял собой сочетание манипулятора с телевизионной камерой (система глаз-рука). Наличие визуальной обратной связи позволяло решать сложные задачи, например он мог поймать мяч, брошенный в его направлении. Разработанная в Стэнфордском университете в начале 70-х годов система глаз-рука уже могла самостоятельно осуществлять сборку водяного насоса из деталей, расположенных в беспорядке на рабочем столе. Японская фирма "Хитачи" создала систему, способную собрать деталь по чертежу: машина изучает проекции узла на чертеже, составляет план сборки и осуществляет его. Хотя возможности такой системы пока весьма ограниченны, она наглядно демонстрирует перспективы использования робототехники в автоматизации технологических операций.

Наряду с разработкой манипуляционных систем получили дальнейшее развитие и исследования в области автономного перемещения роботов. Здесь произошел синтез идей искусственного интеллекта и принципов самодвижущихся аппаратов. В начале 70-х годов в Стэнфордском университете был создан робот "Шейки" - мобильное радиоуправляемое устройство с телевизионной камерой. Управление осуществлялось с помощью формального языка. Робот анализировал ситуацию и планировал свои действия, направленные на выполнение задач, поставленных оператором. Он мог обходить различные препятствия на своем пути, проходить лабиринты.

В Советском Союзе в эти годы были созданы системы глаз-рука для манипуляционных роботов и системы управления самодвижущимися роботами. В широком плане проводились разработки в области искусственного интеллекта.

Особенностью всех описанных устройств является сочетание различного уровня "машинного интеллекта" с двигательной активностью, позволяющей реализовать этот "интеллект" в той или иной форме. Именно к таким устройствам в наибольшей степени подходит термин "робот". Условимся в дальнейшем понимать под термином "робот" технический комплекс, предназначенный для выполнения двигательных и некоторых интеллектуальных функций человека и обладающий необходимыми для этого исполнительными устройствами, управляющими и информационными системами, а также средствами решения соответствующих вычислительно-логических задач. Учитывая общность термина, прибегают к его дополнительным определениям. Так, производственные автоматические манипуляторы называют промышленными роботами.

Для роботов, обладающих искусственным интеллектом, примем термин интеллектные, т. е. содержащие элементы искусственного интеллекта [3] в отличие от термина "интеллектуальные", имеющего "человеческий" смысл. Применение такого термина позволит обходиться без кавычек, в которые обычно заключают слово "интеллектуальный", применяя его к роботам.

Разумеется, между различными категориями роботов нет непреодолимых различий, т. е. промышленные роботы тоже могут быть интеллектными в той степени, которая вызывается деловой необходимостью и допускается экономикой производства.

В 40-50-е годы в связи с развитием атомных исследований получили распространение копирующие манипуляторы. Они позволяли человеку-оператору дистанционно выполнять механические действия с радиоактивными или химическими материалами, которые находились в изолированной камере. Такие манипуляторы состояли из двух идентичных механизмов, расположенных по разные стороны стены камеры и связанных между собой механической передачей. Человек перемещал задающий механизм, и эти Движения копировались исполнительным механизмом. В дальнейшем с развитием телемеханики и техники следящих систем оказалось возможным размещать исполнительную и задающую части копирующей системы на большом расстоянии. Механическая рука при этом управляется электромеханическими сигналами, вырабатываемыми человеком-оператором с помощью задающего устройства. За процессом управляемого им движения исполнительного механизма оператор наблюдает с помощью телевидения. Если при разработке интеллектных роботов-автоматов основная задача состоит в воспроизведении интеллектуальных функций человека, то при создании дистанционно управляемых манипуляционных систем она заключается в наилучшем согласовании возможностей человека-оператора и исполнительной части системы, т. е. механических рук. Такая постановка вопроса привела в первую очередь к усовершенствованию механизма манипулятора, с тем чтобы по своей гибкости, управляемости и динамическим качествам он по возможности приближался к соответствующим свойствам рук человека.

Появились антропоморфные манипуляторы, обладающие кинематикой, внешне подобной кинематике руки человека. Одной из наиболее удачных конструкций такого рода, кроме известных промышленных образцов, является семейство универсальных электромеханических манипуляторов (УЭМ), разработанных в МВТУ им. Н. Э. Баумана. Манипулятор "Хэндимен", созданный фирмой "Дженерал электрик" в 1962 г., на каждой из двух антропоморфных рук имел по два пальца, каждый палец имел две фаланги и управлялся независимыми приводами. Гибкость такой руки, управляемой в копирующем режиме, была настолько велика, что позволяла оператору вращать ею гимнастическое кольцо. Копирующие манипуляторы могут устанавливаться на подвижном основании. Так, устройство "Маскот", созданное итальянскими учеными, представляет собой две телеуправляемые руки, укрепленные на подвижной тележке, которая также снабжена телевизионной камерой.

Точное и быстрое управление манипулятором требует восприятия оператором сил и моментов, воздействующих на механическую руку. Создание систем, обеспечивающих такую информацию (двустороннего действия), позволило существенно повысить качество управления. Большой вклад в этой области сделан советскими учеными [4, 7]. Такие устройства, дистанционно управляемые человеком, вообще говоря, не являются роботами. Они - инструмент в предметной деятельности. Здесь мы имеем дело с новым видом человеко-машинных систем, для которых будем использовать термин "эргатические системы". Особенность их состоит в том, что они являются средством активного взаимодействия человека с роботом, а значит, и наиболее полного по своим возможностям проявления деятельности человека-оператора. Отметим, что вмешательство человека в действия удаленного робота отнюдь не всегда происходит в копирующем режиме. Ниже мы увидим, каким образом при дистанционном управлении манипуляторами деятельность человека может быть облегчена с помощью ЭВМ (полуавтоматические и интерактивные системы). Важность развития техники эргатических роботов связана с тем, что многие задачи, возникающие при выполнении операций в опасных для человека средах, пока не могут быть поручены целиком машине.

Итак, все существующие и перспективные виды манипуляционных роботов и робототехнических систем можно разделить на два больших класса: 1) автоматически действующие роботы - к ним относится большинство современных промышленных роботов; 2) дистанционно управляемые манипуляционные роботы с человеком-оператором - в основном для применения в экстремальных условиях, где опасна или невозможна жизнедеятельность человека. Каждый класс роботов может применяться в обеих сферах. Кроме того, существуют информационные, мобильные (движущиеся - шагающие, плавающие, летающие) и другие классы роботов, а также комплексы информационно управляющих и манипуляционных роботов. Роботизированные технологические комплексы представляют собой объединение в одной системе роботов с другим производственным оборудованием. Такой принцип является основой роботизации производства, поэтому промышленные роботы надо рассматривать как новый элемент общей системы комплексной автоматизации производственных процессов.

Остановимся на отдельных классах робототехнических систем и проблемах, возникающих в связи с их созданием.