Эргатические роботы

Перейдем ко второму классу - дистанционно управляемым манипуляционным роботам. Здесь в процессе управления непосредственно функционирует человек-оператор в сочетании с разнообразной автоматикой, вычислительной техникой и сложным механическим управляемым объектом. Подобные системы принято называть эргатическими, поэтому и дистанционно управляемые манипуляционные роботы будем называть эргатическими. Применение таких роботов часто бывает необходимо в экстремальных средах, где человек не может длительно и эффективно работать даже в защитной одежде (при наличии радиации, загазованности, взрывоопасности, высоких и низких температур, сильных магнитных полей, глубоко под водой, в открытом космосе).

Вначале появились дистанционные манипуляторы с копирующим и кнопочным (командным) управлением. Человек выводился из опасной зоны, но при этом он не освобождался от ручного труда, а наоборот, этот труд стал более напряженным и утомительным. Поэтому, выполняя основную задачу робототехники, следует переходить к полуавтоматическим человеко-машинным системам, включающим наряду с дистанционным управлением собственную управляющую ЭВМ робота.

Дело в том, что в экстремальных условиях часто нужно выполнять достаточно сложные ручные операции, однако современный уровень развития робототехники еще не позволяет делать это полностью в автоматическом режиме. Тогда в дополнение к местной автоматической Системе управления робота подключается дистанционный контур наблюдения и управления, чтобы человек-оператор, находясь на любом безопасном расстоянии, мог непрерывно вести наблюдение за действиями робота и окружающей его обстановкой и вмешиваться по мере надобности в процесс управления его действиями. Таким образом, в сложных для автомата случаях к системе как бы подключается естественный интеллект человека для анализа обстановки и принятия решения о необходимости целенаправленных действий робота. Подобные системы управления обычно называют супервизорными.

Два взаимосвязанных процесса определяет действия человека-оператора в робототехнической системе: процесс наблюдения и процесс управления. Чтобы обеспечить выполнение этих процессов, пульт оператора снабжается экранами и приборами для наблюдения и специальными техническими устройствами для управления.

Наблюдение может вестись оператором с помощью телевизионных и иных оптических средств, акустических и других разнообразных устройств в зависимости от свойств среды и объектов действия в удаленной рабочей зоне робота. При этом оператор должен получать объемное представление обо всем рабочем пространстве и о движениях в нем манипуляционного робота. Эффективность наблюдения человека-оператора за действиями робота и окружающей его средой тесно связана с психическими и физиологическими свойствами человека. Технические средства наблюдения и способы визуализации информации от них должны отвечать требованиям наглядности восприятия, наименьшей утомляемости органов чувств и психики человека, возможности уверенного распознавания им обстановки в зоне действия робота. Все это должно согласовываться со способами постановки целей проводимых манипуляционных операций, чтобы максимально облегчить человеку принятие решений о дальнейших действиях робота при любой возможной ситуации.

Управление может вестись оператором различными методами: 1) командным, 2) копирующим, 3) полуавтоматическим, 4) супервизорным, 5) диалоговым; в каждом из этих методов имеется много разновидностей [9]. По этой классификации систем управления эргатические роботы делятся на две большие группы: дистанционно управляемые манипуляторы (первые три вида управления) и дистанционно управляемые роботы (последние два вида управления, когда управляемым объектом является робот с набором автоматических режимов собственных действий).

Наиболее простым решением проблемы телеуправления с точки зрения технической реализации является кнопочное (командное) управление. В этом случае, нажимая ту или иную кнопку либо тумблер, оператор включает поочередно движение то одного, то другого определенного сустава робота. Однако подобный способ далеко не прост для оператора, так как перед ним возникает задача координации движений в отдельных суставах.

При копирующем методе оператор воздействует рукой на задающий механизм, который кинематически подобен исполнительному манипулятору. Каждый шарнир задающего механизма связан отдельной дистанционной следящей системой с соответствующим шарниром манипулятора. В задающем механизме установлены задатчики следящих систем, а в манипуляторе робота - исполнительные приводы. Между ними проведены линии связи. Манипулятор робота во всех своих звеньях повторяет движения, производимые оператором на задающем механизме.

Для повышения эффективности работы оператора используют следящие системы двустороннего действия, т. с. с отражением на руку человека тех усилий (может быть, в уменьшенном масштабе), которые имеют место фактически при работе манипулятора. Это приближает действия человека к привычным, он ощущает непосредственно руками рабочее усилие. В такой системе двустороннего действия на обоих концах следящих систем на всех шарнирах задающего механизма и манипулятора имеются как задатчики, так и приводы (для создания усилий). Есть различные варианты систем двустороннего действия. Отражение усилий на руку человека может производиться но все время, а лишь в целесообразно выбранные промежутки, когда по ходу процесса это действительно необходимо (чтобы все остальное время не утомлять человека силовой нагрузкой). Однако, как уже говорилось выше, копирующий метод не решает задачи освобождения человека от утомительного ручного труда.

При полуавтоматическом методе управляющий механизм представляет собой многостепенную рукоятку с малыми перемещениями по каждой степени свободы. Снимаемый с нее электрический сигнал поступает в вычислительное устройство, которое формирует управляющие сигналы на все приводы манипулятора так, чтобы концевая точка его получила требуемое движение. В отличие от копирующего метода кинематическая схема управляющей рукоятки не зависит от кинематической схемы манипулятора и может выбираться отдельно, исходя из удобства действий человека-оператора, в то время как кинематическая схема манипулятора выбирается из условий наилучшего манипулирования в рабочей зоне.

Легкое нажатие оператора на рукоятку вызывает сигнал, по которому через вычислительное устройство и линию связи задается один из режимов: скоростной, когда вырабатывается вектор скорости концевой точки манипулятора (для "транспортных" движений), позиционный - с выработкой величины перемещения концевой точки (для малых движений около рабочего предмета), силовой - с выработкой вектора силы воздействия манипулятора (при его контакте с предметом). Каждый из трех вариантов полуавтоматического управления требует своих алгоритмов формирования сигналов управления в вычислительном устройстве и соответственно переключения вычислителя в процессе управления движением манипулятора. Отражение рабочего усилия в манипуляторе на руку человека-оператора при полуавтоматическом управлении (силовое очувствление управляющей рукоятки) может производиться разными способами, в том числе вибротактильным.

Полуавтоматический метод управления позволяет снизить утомляемость и напряженность в работе оператора, поскольку облегчаются движения рук человека по величине и конфигурации в сравнении с копирующим методом, однако здесь необходимо позаботиться о возможном снижении интеллектуальной и психической нагрузок человека, прямо зависящих от соответствия выбранных кинематических схем.

Супервизорный метод дистанционного управления предполагает, что робот "умеет" выполнять автоматически все части заданной операции по отдельности. Однако его нужно переключать с одной части операции на другую в необходимой для выполнения данной задачи последовательности с учетом складывающейся обстановки. Человек-оператор, наблюдая за действиями робота и за обстановкой и зная поставленную задачу, составляет план действий и дает роботу время от времени целеуказательные команды, с помощью которых включается то одна, то другая программа автоматического функционирования робота. Целеуказания могут производиться оператором различными способами: световым карандашом на экране, нажатием клавиш и т. п. При этом автоматические действия робота в реализации каждой команды могут производиться либо по жесткой программе, либо по гибкой - с адаптацией к обстановке (адаптивные программы с использованием очувствления, самонаведения и т. п.).

Диалоговый метод является высшей формой интерактивного управления: робот не только исполняет команды, но и "предсказывает" последствия того или иного шага в выполнении операций, помогает в распознавании обстановки, если это связано с обработкой информации, в планировании действий и т. п. Окончательное решение принимает человек и действует дальше, как в супервизорном режиме управления. Диалог человек - робот может производиться различными способами, включая использование естественного языка человека (текстом или голосом). При применении диалогового метода дистанционного управления робот должен быть либо адаптивным, либо интеллектным.

В реальных условиях могут случаться непредвиденные обстоятельства, поэтому для эргатических роботов целесообразно делать комбинированные системы управления. Когда автоматически действующий робот попадает в трудную для него ситуацию, человек-оператор, непрерывно наблюдающий за его действиями, должен иметь возможность взять в свои руки дальнейшее проведение операции, дистанционно подключая копирующую или полуавтоматическую систему как вспомогательную. Основным же в случае комбинированного управления должен быть супервизорный либо диалоговый метод.

Итак, эргатические роботы представляют собой человеко-машинную систему, в которой часть операций робот выполняет самостоятельно (автоматические режимы управления) , а часть - под дистанционным руководством человека-оператора. Какой из названных выше методов следует выбирать в каждом конкретном случае применения роботов - это задача не только технико-экономическая, но и инженерно-психологическая. К этому же циклу задач относятся вопросы о разумной степени автоматизации действий робота при наличии человека-оператора и о целесообразном разделении функций между человеком и управляющей ЭВМ в разных ситуациях. Психофизиологической задачей является также оптимизация сопряжения человека с техникой при дистанционном наблюдении и управлении. Здесь не только человека надо приспосабливать (путем обучения) к техническим устройствам, но и технические устройства создавать с наиболее полным учетом психофизиологических свойств человека.

Наличие человека-оператора с его уникальными способностями к восприятию обстановки и принятию решений неизбежно накладывает отпечаток на организацию автоматических режимов "самостоятельной" части действий робота. Если в системах с полностью автоматическими роботами надо идти на усложнение иерархии управления и очувствления, чтобы совершать требуемые сложные операции, то в человеко-машинных системах, именно благодаря наличию человека, вопрос о целесообразной степени автоматизации действий робота ставится по-иному. Здесь возможны некоторые упрощения в автоматической части системы, здесь есть почва, чтобы в разумных пределах избежать излишних усложнений автоматики, повысив надежность и экономичность автоматической части системы. Но при этом не должно быть перегрузки человека-оператора. Путем совершенствования методов и техники, обеспечивающих процессы наблюдения и управления, оптимизации распределения функций между человеком и машиной, правильной организации взаимодействия человека с управляемым роботом следует добиваться максимального облегчения работы человека при наибольшей эффективности его действий.

Вне рассмотренных двух классов манипуляционных роботов находятся некоторые другие манипуляционные механизмы, важные с точки зрения облегчения труда человека. Среди них наиболее широкое применение получают так называемые шарнирно-балансирные манипуляторы.

Это многозвенные механизмы с приводами в каждом сочленении звеньев, которые могут поднимать и перемещать большие тяжести (до нескольких сот килограммов), удерживая их в равновесии в подвешенном состоянии при любом пространственном положении. Взявшись за рукоятку на конце манипулятора, человек может легкими движениями перемещать груз в нужном направлении и укладывать без существенного усилия в нужное место. Движения его руки создают лишь управляющие сигналы на приводы суставов манипулятора, а всю тяжесть работы по поддержанию и перемещению груза берут на себя эти приводы. Таким образом, исключается тяжелый ручной труд грузчиков и такелажников.

Другим интересным примером подобного рода систем является экзоскелетон - многозвенный механизм с приводами в суставах, который сочленяется непосредственно со "звеньями" рук или ног (или тех и других) и корпусом человека. Человек легкими движениями рук или ног (как управляющими сигналами на приводы) может совершать тяжелую работу или передвигаться по трудно проходимой местности. Такой экзоскелетон может встраиваться, например, в костюм водолаза для облегчения его работы под водой. Подобного рода управляемые механизмы не являются роботами, но по своему значению могут быть отнесены к категории робототехнических систем.

Проблема сочетания человека и робота в едином трудовом процессе ставит вопрос о том, какие функции человека могут быть переданы роботу, а какие останутся привилегией человека. Этот вопрос представляет интерес не только для данного современного уровня развития науки и техники. Необходимо установить, существуют ли объективные, принципиальные границы развития робототехники или таких границ нет. Поскольку физические возможности человека уже сейчас в значительной мере могут быть превзойдены машинами, вопрос касается главным образом его интеллектуальных возможностей в процессе трудовой деятельности на производстве и в других областях. Анализу этого вопроса посвящена следующая глава.