Функциональные возможности, необходимые роботу для выполнения простых операций

На столе, изображенном на рис. 2.3, расположены стакан, книжка, карандашница, тетрадка и портативный магнитофон. Представим себе, что у человека, сидящего за столом, возникло непреодолимое желание выпить глоток воды. У любого человека, будь то двухлетний ребенок, выполнение подобной задачи не вызовет никаких затруднений. По уровню интеллектуальных затрат эта задача вполне по силам собаке или кошке, не говоря уже о том, что с ней уверенно справится обезьяна. Внимательно наблюдая за действиями человека, которые он совершает в процессе утоления жажды, нетрудно установить, что для достижения цели он должен: осмотреть стол и найти на нем стакан с водой; дотянуться рукой до стакана; взять стакан; удерживая стакан, поднести его ко рту; приложить стакан к губам; опрокинуть стакан с водой в рот; отвести стакан ото рта и поднести его к поверхности стола; поставить стакан на стол. Все перечисленные операции человек выполняет одним плавным естественным движением. Если попытаться роботизировать описанный процесс, то при современном уровне развития робототехники неизбежно возникнет целый ряд серьезных проблем. Затратив определенные усилия, вероятно, все-таки можно и на основе имеющихся достижений автоматики и механики создать специализированный автомат, который будет способен напоить нас водой из стакана. Однако главной характеристикой роботов, которая позволяет выделить их из множества разнообразных средств автоматизации производства в отдельный класс, является присущая им универсальность относительно широкого набора технологических задач. Для обычного современного универсального робота "утоление жажды" превращается в непосильно трудную задачу, и вероятность того, что он безошибочно справится с ее решением, практически равна нулю. Рассмотрим более подробно каждую из перечисленных операций, которые должен осуществить робот при решении задачи "утоление жажды".

Рис. 2.3. Выполнение роботом операции 'Утоление жажды'

Операция "Осмотреть стол и найти на нем стакан с водой"

Для выполнения данной операции необходимо прежде всего воспользоваться методами распознавания образов. Если предположить, что стакан - единственный предмет, находящийся в момент поиска на столе, и контрастность освещения достаточно велика, то обнаружение стакана практически, не вызывает затруднений. Однако если помимо стакана на столе имеются еще какие-то предметы, то кроме обнаружения возникает необходимость в опознании, или идентификации, обнаруженных, "увиденных", предметов с целью найти среди них стакан с водой. В подобной ситуации наиболее сложной оказывается задача различения стакана и карандашницы, поскольку эти два предмета имеют одну и ту же форму. Для ее решения требуется последовательное сравнение всех характерных классификационных признаков стакана и карандашницы. В общем случае, прежде чем робот сможет взять стакан, ему придется пересмотреть и проверить на совпадение с заданными признаками все находящиеся на столе предметы.

В промышленных кругах класс операций поиска и взятия роботом нужной детали в известной рабочей области принято называть операциями захвата. Большинство современных промышленных роботов не в состоянии уверенно выполнять захват деталей произвольной формы, и в связи с этим возникает острая необходимость в создании специализированных автоматических устройств. Особую важность при этом приобретает построение технических устройств - универсальных систем технического зрения, которые в процессе выполнения операций захвата или сортировки разнородных деталей могли бы осуществлять функции, реализуемые у человека системой "глаз-мозг". Кроме того, устройства захвата помимо определения формы объектов, очевидно, могли бы выполнять и другие функции, связанные, например, с анализом свойств объектов. В частности, можно было потребовать, чтобы робот не только осуществлял поиск стакана, но и определял, наполнен ли он водой или пуст.

Как только робот с помощью системы распознавания образов убедился, что наблюдаемый предмет не что иное, как стакан с водой, он должен дотянуться рукой до стакана, чтобы взять его. Однако это возможно только в том случае, когда робот способен определить положение в пространстве. Для этой цели применяются специальные методы вычисления координат заданного объекта в трехмерной рабочей области. К настоящему времени было предложено несколько таких методов. Однако их общим недостатком является большая вычислительная сложность. Поэтому распознавание трехмерного объекта и определение его положения в реальном масштабе времени с помощью современных вычислительных средств оказывается чрезвычайно трудной задачей. Поскольку, однако, в отсутствие информации о местоположении предмета робот не может выполнить команду захвата этого предмета, необходимо сосредоточить все усилия на разработке новых, более быстрых алгоритмов вычисления координат объектов в пространстве.

Операция "Дотянуться рукой до стакана"

Для выполнения этой операции требуется разработка методов управления движением манипулятора робота. Непосредственное применение этих методов начинается после того, как в систему управления манипулятором поступает информация о расположении стакана в рабочем пространстве и установлено направление, которого должна придерживаться кисть руки робота, чтобы дотянуться до стакана. Следует отметить, что расчет позиции и ориентации всех звеньев манипулятора сам по себе непростая задача. Чтобы справиться с ней, робот должен обладать достаточно высоким "интеллектом". Тем не менее для большинства конструкций манипуляторов современных промышленных роботов найдены сравнительно простые решения этой задачи. Проблемы начинают возникать по мере приближения кинематических возможностей манипулятора к возможностям руки человека, что приводит к увеличению числа звеньев и усложнению конструкции манипулятора в целом. В этом случае количество вычислений, необходимых для расчета конфигурации звеньев в пространстве, становится непомерно большим. Поскольку управление движением руки робота должно выполняться в реальном масштабе времени, разработчикам управляющих алгоритмов приходится сокращать время вычислений всеми доступными способами. Надо также иметь в виду, что, с какой бы точностью ни была задана конфигурация целевого объекта (стакана) в пространстве, в процессе перемещения руки робота по направлению к объекту практически всегда возникает некоторое отклонение реального положения руки от заданного. Ошибка позиционирования, т. е. разница между фактической и расчетной конфигурациями руки, обусловлена неустранимыми погрешностями исполнительной системы манипулятора, а также неточностями, присущими методам управления движением. Для того чтобы робот мог выполнять операцию захвата данного объекта, необходимо в процессе управления движением осуществлять коррекцию положения руки на основании информации о несоответствии между фактическим и требуемым ее положением. Оказывается, что контролировать фактическое положение руки робота при приближении к объекту наиболее удобно с помощью систем технического зрения. Следовательно, для реализации операции захвата требуется согласованная работа алгоритмов управления движением и СТЗ. Робототехнические системы, в которых управление манипулятором осуществляется при участии технического зрения, принято называть системами рука-глаз (hand-eye) или глаз-рука.

Операция "Взять стакан" (или "Бережный захват хрупкого стакана")

Правильное выполнение данной операции невозможно без применения устройств, реализующих функции осязания человеческой руки, т. е. датчиков, фиксирующих касания предмета, и датчиков, измеряющих давление руки на поверхность предмета. Если бы операцию выполнял человек, то, не тратя времени на анализ, он сразу определил бы, из какого материала сделан стакан. С подобной же легкостью он определил бы количество налитой воды, оценил массу стакана и инстинктивно рассчитал величину минимального усилия, необходимого для того, чтобы удержать стакан в руке и в то же время не раздавить его. Сам того не замечая, он так выбрал бы точки приложения пальцев на поверхности стакана, чтобы в процессе перемещения стакана вода не плескалась и не выливалась. Совершенно очевидно, что, если захват манипулятора не обладает такими чувствительными датчиками, как рецепторы кисти человеческой руки, роботу не справиться с выполнением подобного задания. Обычный промышленный робот, не оснащенный тактильными сенсорами, при выполнении операции захвата стеклянного стакана попытается сдавить его металлическими пальцами из всех имеющихся для этой цели сил. Естественно, что в подобной ситуации стеклянный стакан, так же как и бумажный стаканчик, яйцо или какой-либо другой предмет, сразу же прекратит свое существование. Конечно, предельное усилие, развиваемое роботом при захвате, можно рассчитать таким образом, чтобы достаточно прочные стеклянные стаканы не разрушались. В настоящее время возникает все больше и больше практических задач, необходимым условием надежного и стабильного решения которых является тактильное очувствление руки робота. Как бы то ни было, оснащение механической руки чувствительными элементами в любом случае приводит к повышению функциональных возможностей робота и упрощает процесс его обучения или программирования.

Операция "Удерживая стакан, поднести его ко рту"

Как уже отмечалось, человек инстинктивно определяет усилие, с которым нужно сжимать стакан, чтобы он не выскользнул из рук и вместе с тем не треснул. Для выполнения операции переноса роботу желательно знать также массу стакана и материал, из которого он изготовлен. Исходя из этой информации, он сможет рассчитывать оптимальное усилие сжатия стакана. В таком случае возникает необходимость в устройстве для измерения массы переносимого объекта и коэффициента трения. На современном этапе развития робототехники имеются все возможности для проведения подобных измерений. После того как необходимое усилие рассчитано и стакан надежно удерживается губками захвата, операция "Удерживая стакан, перенести его ко рту" выполняется аналогично операции "Дотянуться рукой до стакана"; для управления движением руки ко рту, требуется информация о расположении рта (губ человека) в пространстве. Для современных робототехнических систем получение такой информации не представляет особых трудностей.

Операция "Приложить стакан к губам"

Для выполнения данной операции требуется силовое очувствление робота, т. е. рука робота должна быть оборудована датчиками, с помощью которых в любой момент времени можно определить величину усилия, приложенного к рабочему объекту. Если положение головы остается постоянным во время движения руки, выполнение операции не вызывает затруднений. Однако в общем случае положение головы человека в начале операции несколько отличается от положения в конце операции. Поэтому, как только стакан будет перенесен в изначально заданную точку, его положение должно быть скорректировано в соответствии с фактическим положением рта. Человек такую корректировку выполняет в процессе одного плавного движения руки, не задумываясь, что в работе принимают участие сразу несколько органов чувств. Благодаря тому что губы человека оснащены тактильными рецепторами, а пальцы чувствительны к изменению усилия, приложенного к стакану, человек продолжает перемещать руку до тех пор, пока стакан не достигнет рта, и в то же время старается избежать сильного удара стенки стакана о зубы. Следовательно, чтобы механическая рука робота могла легко справляться с операциями, подобными "Поднесению стакана с водой ко рту", она должна располагать такими же органами чувств, которые в аналогичной ситуации использует человек. Другими словами, рука, запястье и все пальцы захвата манипулятора должны быть снабжены высокочувствительными силовыми датчиками.

Операция "Опрокидывание стакана с водой в рот"

Данная операция относится к классу задач управления движением манипулятора. Реализация операции "Опрокидывание" не вызывает особых затруднений. Однако в рассматриваемом случае речь идет о таком опрокидывании стакана, в результате которого вода должна попасть в рот; это условие создает дополнительные сложности. В частности, на протяжении всей операции робот должен тщательно контролировать положение стакана, управлять углом наклона стакана, а также скоростью изменения этого угла. В настоящее время такая работа под силу промышленным роботам лишь самого высокого класса.

Операция "Отвести стакан ото рта и поднести его к поверхности стола"

Эта операция также относится к классу задач управления движением манипулятора; ее выполнение не вызывает никаких затруднений.

Операция "Поставить стакан на стол"

При выполнении данной операции необходимо избегать сильного удара стакана о стол, в результате которого стакан может разбиться. В то же время нельзя прекращать движение и разжимать пальцы захватного устройства до тех пор, пока дно стакана не коснется поверхности стола. Это означает, что для успешного завершения данной операции необходимы высокочувствительные тактильные и силовые датчики, с помощью которых робот сможет определить момент касания дна стакана поверхности стола. Интересно, что в этом случае речь идет не о касании предмета какой-либо частью робота, например захватным устройством, а о касании одного предмета (стола) другим (стаканом), зажатым в механических пальцах робота. Очевидно, потребуются также датчики для определения массы стакана.

Итак, роботизация даже самых простых и обычных для человека операций на современном уровне развития робототехники сопряжена с решением множества научных и технических проблем.