Человек - оператор дистанционно управляемых манипуляторов

Здесь возникает сочетание человека и машины совсем иного рода, чем при диалоговом и супервизорном управлении.

Во-первых, при управлении максимально используются сенсорные рецепторы человека. Помимо визуальной информации, он может получать информацию о положении конечностей робота в пространстве с помощью задающего устройства копирующего типа; о силах и моментах, действующих на механические конечности извне,- через системы отображения силовой информации; существуют также системы отображения тактильной информации; используются и вестибулярные рецепторы человека.

Во-вторых, человек непосредственно участвует в действиях робота, управляя его движениями. В наиболее простом случае - при управлении антропоморфным манипулятором копирующего типа - движения задающего механизма, связанного с рукой оператора, буквально воспроизводятся "рукой" робота, имеющей подобную кинематическую схему. В более сложном случае полуавтоматической системы схват манипулятора может воспроизводить движения управляющей рукоятки, связанной с кистью руки оператора при произвольной конструкции "руки" робота. Возможно и преобразование характера движения, например, нажатие на рукоятку с определенной силой может интерпретироваться роботом как движение с постоянной скоростью или с постоянным ускорением. Общим для всех способов является управление "в коде движения", т. е. с помощью сигналов, возникающих при движении конечности оператора. При использовании "изометрических" органов управления движения задаются оператором посредством развития рукой сил и моментов на неподвижной рукоятке. Разрабатываются и такие системы, в которых сигналы управления снимаются непосредственно с конечности человека в виде биотоков. Таковы системы, использующиеся при протезировании.

В эргатических роботах копирующего и полуавтоматического типа не возникает проблемы разделения функций между человеком и машиной, поскольку это предопределено конструкцией и назначением робота. Например., при несоответствии конструкции манипулятора человеческой руке вычислительное устройство рассчитывает сигналы управления приводами манипулятора, чтобы обеспечить нужное движение его схвата. При использовании рукояток полуавтоматического управления вычислительное устройство формирует сигналы управления приводами, обеспечивающие заданное положение схвата (или скорость, или развиваемое усилие). Машина решает и необходимые задачи преобразования сигналов датчиков робота и датчиков состояния внешней среды в сигналы, доступные рецепторам оператора; в результате такого преобразования формируется информационная модель для оператора.

В решении перечисленных задач нет принципиальных проблем, а есть лишь технические трудности. Проблема здесь в другом: независимо от того, находится ли человек внутри робота или управляет им на расстоянии, он должен "вжиться" в робот, ощутить его как часть самого себя. Такой процесс "вживания" вообще характерен для квалифицированной работы человека с инструментом (и отмечается многими психологами), с ним хорошо знакомы летчики, автомобилисты. Однако при управлении роботом задачи существенно усложняются и "вживание" должно быть более полным.

Трудности адаптации оператора к роботу обусловлены не только тем, что возможности датчиков ограничены и сенсорные сигналы искажены, а некоторые из них отсутствуют вовсе (например, тактильные). Изменяются сами возможности оператора по восприятию сигналов. Например, могут быть усилены слабые акустические сигналы или их спектр преобразован таким образом, чтобы они стали доступны рецепторам человека; с помощью соответствующих систем можно видеть в темноте, ощущать незначительные колебания температуры и т. п. Чтобы человек в таких условиях не потерял способность правильно ориентироваться в окружающей обстановке и координировать движения своего тела, должна произойти определенная адаптация, перестройка его навыков восприятия и создание новых навыков. Например, воспринимая информацию с помощью датчиков, имеющих худшие возможности, чем его собственные рецепторы, оператор будет "доопределять" недостающую информацию на основе своего опыта или данных других датчиков. Подобным образом слепой "доопределяет" недостающую зрительную информацию путем ощупывания, используя специально развитый навык.

Не менее существенно изменение характера движений и двигательных возможностей человека. Так, экзоскелетон позволяет значительно увеличить силу человека, но, чтобы при этом обеспечить должную координацию движений, необходима перестройка двигательных навыков и даже выработка новых. Например, существует система управления подвижным роботом, в которой перемещения корпуса робота управляются поворотами головы оператора. При управлении движениями рук робота с помощью изометрических рукояток рука оператора практически неподвижна, а управление осуществляется путем приложения к рукоятке сил и моментов со стороны оператора.

Возможности оператора приспосабливаться к необычным условиям работы и оперировать со сложным инструментом достаточно велики, но не безграничны. Поэтому возникает вопрос: в какой мере возможно "вживание" человека в робот? Решение этого вопроса ограничивается не столько техническими возможностями датчиков, органов управления, манипуляторов и т. п., сколько психологическими возможностями человека. Совершенствуя технику, мы лишь улучшаем эффект присутствия, облегчаем возможность человека почувствовать себя одним целым с роботом. Но возможности человека в таком качестве пока мало изучены.

Если в супервизорных и диалоговых системах слабым звеном системы человек-робот является робот, которому человек может помочь в решении интеллектуальных задач, то в копирующих и полуавтоматических системах слабым звеном становится человек. В этом случае ЭВМ не является доминирующим звеном технической части эргатического робота, как для интеллектных роботов. Основную роль играет согласованность технических и естественных сенсоров, искусственных и естественных конечностей. Эта согласованность и означает возможность оператора адаптироваться к новому "телу". Поэтому создание эргатических роботов требует не только совершенствования технической части системы, но и решения инженерно-психологических проблем.

Несмотря на очевидное различие проблем, возникающих в связи с созданием интеллектных и эргатических роботов, между ними имеется диалектическое единство. Проявляется оно в том, что обе ветви робототехники развиваются параллельно, поддерживая друг друга и питаясь из одних и тех же источников.

Первые манипуляторы были антропоморфными и копирующими - они копировали кинематическую схему и движения рук человека. Первые программы в области искусственного интеллекта были эвристические - они копировали приемы мыслительной деятельности человека. На определенном этапе развития интеллектный робот получил рецепторы и конечности - в основном те же, которые применялись при разработке роботов, управляемых человеком. Любые усовершенствования в области нижних уровней управления, используемых для эргатических роботов, могут использоваться для интеллектных роботов. Вместе с тем некоторые аспекты искусственного интеллекта, базирующиеся на изучении человека, могут применяться и при создании эргатических роботов. Мы уже говорили о восприятии обстановки и формировании двигательных навыков. Остановимся теперь на обучении роботов. Интеллектные роботы, допускающие эргатический режим работы, могут иметь режим обучения, отличный от традиционного, "внешнего" обучения; для таких роботов система знаний формируется отчасти программным путем, отчасти в процессе диалога человека с машиной. Подобное обучение касается поведения в окружающей обстановке, работы, ходьбы и других разумных действий. Оно состоит в том, что необходимые движения выполняет сам оператор с использованием сенсорной и моторной систем робота. Полученная при этом и обработанная роботом информация: становится базой для новых двигательных навыков. Только) в простейшем случае программных роботов такой навык сводится просто к запоминанию и повторению определенных действий. В общем случае действия зависят от сенсорной картины окружающего мира, своего состояния, целей,, опыта и т. д. Поэтому "внутреннее" обучение предполагает сложную организацию понятий и отношений в памяти робота, например, с помощью метода фреймов.

Таким образом, достижения в области искусственного интеллекта непосредственно могут быть использованы при обучении эргатических роботов. После такого обучения робот может приобрести определенную автономность при решении выбранного круга двигательных задач, так что оператору придется брать на себя управление им только в сложных ситуациях.

Интеллектные роботы, имеющие развитую сенсорику, обладающие способностью работать в эргатическом режиме и подвергаться "внутреннему" обучению, наиболее перспективны для использования в экстремальных средах. С одной стороны, они обеспечивают возможность работы в самых сложных, неопределенных ситуациях с участием оператора, с другой - способны к обучению и в рамках своих интеллектных возможностей автоматизируют работу человека при выполнении простых операций.

Можно представить и другое направление в развитии эргатических роботов, основанное на преодолении тех ограничений, какими являются возможности самого человека - не интеллектуальные, а физические. Характеристики рецепторов человека уже сейчас сильно уступают соответствующим характеристикам физических приборов. При преобразовании информации в сигналы, воспринимаемые рецепторами человека, происходит потеря информации. Физическая сила конечностей человека во много раз меньше физической силы механических рук и ног. Правда, органы человека превосходят свои механические аналоги по гибкости, чувствительности, однако и эти качества могут быть превзойдены в процессе совершенствования техники и технологии. .