Робототехника и ее место в системе технических наук

Рис. 2.2. Предметная область науки о роботах

В англоязычной научно-технической литературе синонимом слова "робототехника" является robotics или robot engineering. В литературе, более далекой от технических или технологических приложений робототехники, в качестве синонима слова "робот" можно встретить "киборг" и "кибот". Писатели-фантасты и авторы научно-фантастических комиксов для изображения искусственных человекоподобных существ или механических устройств, наделенных элементами разума, предпочитают использовать лексические образования типа "биомен" (bionic man), "мехазавр" (mechasaurs), "мехаробот" (mecharobot). Однако, несмотря на некоторые смысловые оттенки, общим для перечисленных синонимов слова "робот" является то, что все они обозначают техническое устройство, созданное человеком и обладающее большим или меньшим набором способностей из арсенала человека или животного.

Робот должен в той или иной степени воспроизводить функциональные возможности живого существа, в частности человека. Поэтому робототехника призвана заниматься вопросами построения технических систем, функционально эквивалентных некоторым из важнейших систем человеческого организма. Задачи, стоящие перед робототехникой, естественным образом предопределяют направления ее развития. Так, созданием и использованием искусственных органов чувств для роботов занимается такой раздел робототехники, как сенсорная технология, а обучением робота элементам мыслительной деятельности человека - раздел искусственный интеллект и информатика. Робототехника в качестве самостоятельного раздела включает область механики, связанную с разработкой механических конечностей. Раздел робототехники, имеющий дело с конструированием искусственных рук или ног робота для выполнения конкретных производственных операций, а также с приспособлением технологии производства изделий к возможностям конечностей конкретного робота, получил название промышленная робототехника или робототехнология. Один из разделов робототехники занимается изучением вопросов имитации способности человека или животного свободно перемещаться в любом направлении. Сюда относятся не только проблемы построения мобильных роботов-тележек на колесах, но и проблемы создания шагающие аппаратов-педипуляторов, а также технических устройств, способных перемещаться подобно змее или морским моллюскам. Последняя из перечисленных проблем свидетельствует о том, что в процессе развития робототехники могут возникнуть принципиально новые научные направления и даже области науки и техники.

Измерительная технология

Предметная область данной технологии чрезвычайно широка и многообразна, В настоящее время сенсорная технология развивается в основном по таким направлениям, как:

● создание систем технического зрения (СТЗ), позволяющих роботу, подобно человеку, видеть и узнавать окружающие его предметы. Для узнавания предметов на основе поступающей от СТЗ информации применяются специальные алгоритмы. Разработкой таких алгоритмов занимается специальный подраздел сенсорной технологии, называемый распознаванием образов;

● создание датчиков для вычисления координат заданных предметов в трехмерном пространстве. Дело в том, что в большинстве случаев роботу требуется не только обнаружить предмет, но и измерить расстояние до него, т. е. определить координаты этого предмета в рабочей области.

Помимо указанных направлений развития сенсорной технологии интерес представляют:

● разработка алгоритмов анализа сцен, позволяющих роботу полностью или частично контролировать свое состояние в окружающем пространстве путем анализа информации, поступающей к нему от различных сенсорных систем, главным образом зрительной;

● создание искусственных систем, предоставляющих роботу возможность вести речевое общение, т. е. построение систем анализа речевого сигнала и синтезаторов речи;

● полное очувствление руки робота. Оснащение механической руки сенсорами осязания (тактильными сенсорами), наделяющими робот способностью ощущать прикосновение к предмету и измерять величину давления руки на этот предмет, а также создание датчиков для измерения усилия, прикладываемого роботом к предмету, позволят создавать роботы-манипуляторы, не уступающие в искусности человеческой кисти.

Искусственный интеллект

Данный раздел робототехники занимается изучением методов функциональной имитации возможностей человеческого разума и созданием технических систем, способных самостоятельно рассуждать, решать задачи с априорно неизвестной для данного устройства схемой решения, а также способных к обучению и самообучению. До недавнего времени проблемы искусственного интеллекта являлись исключительно прерогативой информатики и вычислительной техники. Однако с развитием робототехники возник интерес к практическим аспектам этого научного направления. Поскольку анализ зрительной информации у человека и высших животных осуществляется при помощи мозга, распознавание образов принято считать одним из подразделов искусственного интеллекта. Многие специалисты в робототехнике отождествляют понятия искусственный интеллект и распознавание образов. На самом деле использование методов искусственного интеллекта в робототехнике не ограничивается только анализом зрительной информации. Так, одно из возможных применений этих методов робототехники связано с организацией управления рукой робота, выполняющего достаточно сложные операции в среде с изменяющимися условиями; организация управления осуществляется на основе информации, поступающей от сенсоров.

Конструирование искусственных конечностей

Изготовлением искусственных рук и ног люди стали заниматься задолго до появления первых роботов и вынуждены заниматься этим по сей день независимо от робототехники. Однако если сравнить современный протез для человека, лишенного руки от самого плеча, с манипулятором новейших интеллектуальных роботов, то окажется, что эти два механизма практически обладают одними и теми же функциональными возможностями. Еще большее сходство обнаруживают методы управления этими механизмами. В настоящее время техника протезирования и раздел робототехники, имеющий дело с построением автоматических манипуляционных устройств, развиваются параллельно, взаимно обогащая и дополняя друг друга. Так, робототехника позаимствовала методы протезирования, обеспечивающие минимальные размеры и массу конечностей при их заданных функциональных возможностях. Легкость и малогабаритность конструкций конечностей имеют принципиально важное значение в протезировании, поэтому именно здесь были достигнуты наибольшие успехи. Вместе с тем развитие робототехники привело к созданию новых миниатюрных и легких приводов для механических конструкций. Это открыло возможности для оживления протезов за счет использования малогабаритных элементов автоматики. Таким образом, прогресс в роботостроении привносит новые идеи в технику протезирования.

Промышленная робототехника

Из всех разделов робототехники промышленная робототехника развивается самыми быстрыми темпами. Именно здесь на сегодняшний день достигнуты наиболее значительные практические результаты: внедрение промышленных роботов позволило автоматизировать многие производственные операции, которые ранее выполнялись вручную. По мере совершенствования промышленных роботов, расширения их функций и повышения уровня интеллектуальности число предпринимателей, проявляющих интерес к роботизации предприятий, непрерывно растет как в Японии, так и в других развитых странах. Соответственно растет число фирм - изготовителей роботов.

Производители робототехники, рекламируя свою продукцию, акцентируют внимание на улучшенных технических характеристиках и новых возможностях предлагаемых роботов. Потребителя же в первую очередь интересует степень соответствия приобретенного робота конкретным производственным задачам, т. е. практическая пригодность промышленного робота. К сожалению, на сегодняшний день наличие существенных расхождений между изначальными функциональными возможностями роботов и реальными потребностями является скорее правилом, нежели исключением. Однако, учитывая тот факт, что методы искусственного интеллекта и первые экспериментальные интеллектуальные роботы оказывают существенное влияние на направление развития робототехники в целом, можно ожидать, что уже в скором времени практическая эффективность промышленных роботов значительно возрастет в результате появления адаптивных многофункциональных роботов с элементами искусственного интеллекта.

Чтобы добиться решения изначально поставленной перед робототехникой задачи - построения устройств, близких по своим функциональным возможностям к человеку или высшим животным, необходимо самым тщательным образом изучить принципы функционирования основных органов и систем человека и животных. С этой точки зрения особый интерес представляют исследования живого организма, выполняемые совместно биологами, физиологами и врачами с позиции потребностей робототехники.