С чего все начиналось

Робототехника - настолько молодая наука, что даже странно по отношению к ней употреблять слово "история". Тем не менее и она возникла не на пустом месте, имеет свои исторические корни, свои истоки, которые уходят в глубокую древность. В первую очередь вспомним о человекоподобных механических игрушках, так называемых андроидах, первым воплощением которых была, пожалуй, обыкновенная кукла. Сначала ее научили двигать руками, потом поворачивать голову, а затем и ходить.

История сохранила скупые сведения о первых андроидах. Безусловно, в их описаниях есть немало фантастических, невероятных деталей, но даже если их отбросить, придется признать необыкновенную талантливость и изощренность умельцев прошлого, которые компенсировали низкий уровень развития техники богатым воображением, хитроумным сплетением зубчатых колес, пружин и рычагов. Расскажем о некоторых, наиболее характерных из них.

В 323-285 гг. до н. э. Египтом правил Птолемей I Филадельф - один из военачальников Александра Македонского. В столице - городе Александрии - на берегу Средиземного моря стоял его дворец. Во дворце гостей встречал "железный слуга", имеющий внешнее сходство с человеком: у него были голова, руки, ноги. Он кланялся гостям, сопровождал их, когда они проходили по комнатам, и даже открывал перед ними двери. Источником его движений служил груз, который опускался внутри туловища. Механические передачи обеспечивали подвижность рук и ног. К сожалению, до нас не дошли подробности устройства "железного слуги" и имя изготовившего его мастера, который был, безусловно, очень талантлив.

Немецкий ученый XIII в. Альберт фон Больштедт (Альберт Великий) изобрел "механического человека", который выполнял обязанности слуги. На создание и усовершенствование своего детища он затратил около 30 лет. Механический слуга умел кланяться, открывать двери, выполнял некоторые поручения хозяина и даже произносил несколько приветственных слов. Он был так похож на человека, что суеверные посетители принимали его за порождение дьявола. По преданию, этот механический слуга погиб от руки испугавшегося горожанина.

Весной 1774 г. швейцарский часовщик Пьер-Жак Дро и его сын Анри показали изумленным согражданам сделанного ими механического писца. Писец с важным видом макал гусиное перо в стоящую перед ним чернильницу и ровным красивым почерком писал целые фразы. При этом он двигал головой и любовно оглядывал написанное. Закончив свой труд, писец посыпал бумагу песком, а затем стряхивал его. Эффект был огромный!

Кроме писца, талантливые мастера сделали также механического рисовальщика, который воспроизводил довольно сложные рисунки, и музыкантшу, великолепно исполнявшую на фисгармонии виртуозные музыкальные произведения. Это были поистине шедевры своего времени! Однако неприятностей от создания первых роботов было больше, чем славы. Все непонятное - опасно, решила святая инквизиция и на всякий случай упрятала Анри Дро в тюрьму, когда он показывал своих "механических людей" в Мадриде. Отец и сын Дро вскоре умерли, а их творения переходили из рук в руки, пока в 1906 г. не были помещены в музей, где до сих пор вызывают восторг посетителей.

В 1810 г. немецкий механик Иоганн Кауфман создал механического трубача, виртуозно исполнявшего несколько сложных пьес. Этот автомат и сейчас можно увидеть в Мюнхенском музее техники.

Около 200 лет назад в Петербурге на Невском проспекте был открыт "храм очарований, или механический, физический и оптический кабинет". В нем были собраны лучшие работы народных умельцев того времени. При входе гостей встречал механический швейцар, который как бы парил в воздухе и играл на валторне. Всеобщее удивление вызывали лающая автоматическая собака, петух, который хлопал крыльями и вскакивал на перекладину. Кошка мяукала, змея шипела... Механические слуги обслуживали посетителей. Слуга-автомат разносил на подносе напитки...

В конце XIX в. на улицах одного южноамериканского городка можно было наблюдать удивительного прохожего. Сосредоточенный, деловитый, с сигарой в зубах, он молчаливо и размеренно шагал по мостовой. Прохожий этот представлял собой металлическую человекоподобную конструкцию. Из сигары шел не дым, а пар, так как двигатель у андроида был паровой. Скорость ходьбы была втрое выше скорости обычного пешехода. Как и всякая другая игрушка, этот прохожий быстро надоел и занял свое место в музее.

Человек начал все чаще задумываться, как научить "механического человека" выполнять полезную работу. Первые шаги на этом пути были сделаны уже в XX в.

В подвале одного из нью-йоркских небоскребов в начале века поселился необычный дежурный, который должен был обеспечивать водой все этажи. Он следил за уровнем воды в баках, включал и выключал насосы, принимал по телефону команды и отвечал на вопросы о состоянии системы. Дежурный "электрический человек" был сконструирован американским инженером Венсли и назван телевоксом. Название это раскрывает способность робота подчиняться голосу на расстоянии (от греч. tele - далеко и лат. voks - голос). Телевокс представлял собой автоматическую телефонную станцию, в которой в качестве абонентов выступали несколько электродвигателей, производивших все действия. Как видим, это был первый робот с электрическим приводом.

30-е годы XX в. - период широкого распространения рекламных роботов-манекенов. Задачей их было привлечение внимания покупателей магазинов и посетителей выставок и зрелищ.

В Германии робот-манекен демонстрировал в магазине модели новых костюмов, рекламировал имеющиеся в продаже и вновь поступающие товары, сообщал о них краткие сведения и цены. Движения губ были синхронны со звуками, исходившими из громкоговорителя, находившегося внутри автомата. Поражала необычайная подвижность лица: губ, глаз, ушей. Управляемый по радио робот мог двигать руками, указывая на товары с помощью указки.

Англичане назвали своих рекламных роботов Эриком и Альфой. Эрик умел вставать со скамьи, поднимать руки и разговаривать. Речь его была записана на пластинку, которая проигрывалась на спрятанном внутри него патефоне. Когда робот разговаривал, глаза светились желтым светом, а рот - зеленым. Эрик не только произносил записанную речь, но и отвечал на вопросы о времени суток и дате. Конечно, круг вопросов, на которые мог ответить робот, был ограничен.

Робот Альфа имел голову цилиндрической формы, вместо глаз - очки, вместо ушей - микрофон. Он выполнял команды, поданные голосом, вставал и садился, поднимал и опускал руку, двигал пальцами рук и был прекрасным стрелком: с 20 метров стрелял без промаха. При разговоре мог менять интонацию.

1 июня 1933 г. в Чикаго была открыта выставка достижений науки и техники американцев за 100 лет.

В отделе медицины робот-лектор демонстрировал процесс прохождения пищи в организме человека. Через прозрачное туловище были видны пищевод, желудок, почки, печень и кишечник. Робот пальцем показывал путь прохождения проглоченной пищи.

Первый советский робот был создан не ученым или инженером, а школьником Вадимом Мацкевичем в 1936 г. Робот был радиоуправляемым и выполнял 10 команд: двигался вперед и назад, поворачивался, реагировал на свет и мог даже стрелять из пистолета (рис. 1, а). Робот был отправлен в Париж на Всемирную выставку, и 16-летний московский школьник получил диплом.

Рис. 1. Первые советские роботы

В 1937 г. в Москве в витрине рыбного магазина на ул. Горького стоял робот-рыболов, который пел веселую песенку, заканчивавшуюся словами: "Лучшего блюда, чем рыбных котлет, на свете не было и нет!" Туловище робота напоминало консервную банку. Он сидел на пне, вставал и забрасывал удочку, потом подносил ко рту котлету и начинал двигать нижней челюстью. Затем пел песенку. Конструктором рекламного робота-рыболова был известный роботостроитель В. Лукачер.

Автоматического радиоэлектронного секретаря (АРС) изготовил преподаватель Калужского железнодорожного техникума Б. Н. Гришин (рис. 1, б). Утром он будил своего хозяина и приглашал его на физзарядку, включая магнитофон с записью упражнений, затем напоминал о распорядке дня. В отсутствие хозяина он отвечал по телефону и мог записать небольшое сообщение. АРС Гришина занял первое место на I Всесоюзном конкурсе роботов, проходившем в 1967 г. на ВДНХ СССР. Робот, сконструированный школьниками из Московской области (г. Чкалов), выполнял 18 команд (рис. 1, в).

После многих месяцев упорного труда уже упоминавшийся изобретатель В. В. Мацкевич, которому помогала группа ребят - юных техников, в 1970 г. изготовил кибернетический робот с радиоуправлением, которое было рассчитано на 27 команд. Световой локатор на его "голове" позволял обнаруживать препятствия и обходить их. Роботом можно было управлять и с помощью звуковых команд с расстояния 8-10 метров. Звуки речи различались благодаря частотным полосовым фильтрам (рис. 1, г). Робот экспонировался на ВДНХ СССР, затем совершил поездку в Японию и на Всемирной выставке "Экспо-70" был награжден дипломом.

На ВДНХ, где по традиции демонстрировались все новинки любителей-роботостроителей, в настоящее время в павильоне "Машиностроение" открыта постоянно действующая экспозиция "Лучшие образцы промышленных роботов и манипуляторов".

Главное отличие современных промышленных роботов, о которых и пойдет речь в этой книге, от всех вышеописанных игрушек заключается в том, что игрушки не предназначались для серийного производства, а были сделаны лишь в единственном, уникальном экземпляре. Должны были возникнуть необходимые предпосылки в промышленности, техника должна была выйти на определенный уровень развития, который обеспечил бы широкое, экономически целесообразное внедрение роботов в производство. Эти предпосылки возникли к середине 50-х годов XX в. Роботы стали насущной необходимостью, они не могли не появиться.

К таким предпосылкам можно отнести следующие: высокий уровень механизации и автоматизации, который обусловил прежде всего в промышленности множество простых, однообразных и монотонных операций, в результате чего человек становился придатком машины; обострение конкуренции между фирмами в различных отраслях промышленности, необходимость поддерживать постоянный рост производительности труда; вызванное обострением конкуренции уменьшение серийности продукции наряду с увеличением номенклатуры выпускаемых изделий, потребовавшие увеличения гибкости и маневренности существующего производства; создание и организация серийного производства недорогих устройств электро-, гидро- и пневмоавтоматики, а позднее и вычислительной техники, позволивших реализовать в серийном масштабе производство промышленных роботов; постоянный, неуклонный рост стоимости рабочей силы при незначительном увеличении, а в некоторых случаях и снижении стоимости промышленных роботов; растущий дефицит рабочей силы, особенно для выполнения вредных для здоровья, утомительных и монотонных работ.

В развитие робототехники внесла свою лепту и художественная литература. Сам термин "робот", как известно, пришел из литературы. Около полувека назад чешский писатель Карел Чапек написал пьесу "Р. У. Р." (Россумские Универсальные Роботы), персонажами которой были люди и роботы, т. е. искусственные люди. Один из героев пьесы, генеральный директор компании "Р. У. Р.", отвечая на вопрос, что такое роботы, говорит: "Роботы - это не люди... они механически совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет душ". Так впервые появилось понятие "робот", которое вскоре стало играть важную роль не только в научно-фантастической литературе, но также в науке и технике.

До недавнего времени робот в художественной литературе в основном изображался как устрашающее чудовище. Герой одноименного романа Мэри Шелли Франкенштейн создал чудовище, которое уничтожило своего творца. Универсальные роботы Россума истребили почти все живое. Должен ли робот обязательно уничтожать своего создателя?

Только в последние 30 лет в основном благодаря усилиям известного американского писателя-фантаста Айзека Азимова распространилось представление о роботах как о полезных, хорошо управляемых механизмах, которые должны стать помощниками и друзьями человека (чем-то вроде собаки). Именно Азимов разработал три знаменитых закона робототехники:

1) робот не должен причинять человеку вред или допускать, не вмешиваясь, чтобы человеку был такой вред нанесен;

2) робот должен выполнять все приказания, отдаваемые людьми, за исключением тех случаев, когда они приводят к нарушению закона 1;

3) робот должен защищать свое существование, за исключением тех случаев, когда это может привести к нарушению законов 1 и 2.

Идея о промышленном роботе зародилась в США в конце 50-х годов. Первыми шагами на пути разработки промышленного робота "Юнимейт" фирмой "Юнимейшн Инкорпорейтед" был всесторонний анализ человеческой деятельности на многих крупных заводах таких фирм, как "Дженерал Моторс", "Форд" и др. Было накоплено большое количество данных о расстояниях, скоростях, порядке перемещения рук рабочих на множестве простых повторяемых операций, например при сварке, штамповке, окраске, термообработке, литье и т. д., а также данные о размерах и массе предметов, которыми приходилось манипулировать. Функции, форма и габариты первого промышленного робота диктовались аналогией с органами человека, так как роботу предстояло заменить его, т. е. "встать" за станки и машины, предназначенные для человека. Было исследовано несколько вариантов систем сервоуправления, которые позволяют роботу запоминать и воспроизводить то, чему его обучили, а также совершать движения как можно быстрее, но в то же время плавно и мягко. Опытный образец робота родился в 1961 г., а его практические испытания и отладка длились пять лет, и только после этого оказалось возможным внедрить робот в серийное производство. Чем же отличаются роботы от других механизмов и машин, работающих в настоящее время в различных областях общественного производства?

Труд человека принято делить на физический и умственный. В процессе производства используются как умственные, так и физические возможности человека. Но, даже выполняя такие немудреные операции, как загрузка деталей в станок, человек решает задачи (пусть часто простейшие) принятия решений: какую деталь взять, каким образом ее установить, годна ли деталь после обработки и т. д. При этом он стремится решить эти задачи таким образом, чтобы облегчить физический труд. Следовательно, в производстве не существует в чистом виде физического или умственного труда, любой вид деятельности человека на производстве требует сочетания труда и физического, и умственного.

Люди прежде всего научились автоматизировать физический труд. Ими были созданы автоматы, полностью заменяющие человека при выполнении широкого круга технологических операций, автоматические линии, способные выполнять технологические процессы, включающие десятки операций. При этом, конечно, автоматизировалась преимущественно наиболее трудоемкая физическая деятельность.

Автоматизировать умственную деятельность человеку удалось, когда он создал универсальную электронную вычислительную машину. Это действительно универсальное (в принципе) средство решения тех задач обработки информации, которые возникают перед человеком в процессе его деятельности; необходимо только задать эту информацию в том виде, в каком ее воспринимает ЭВМ, и заложить в нее алгоритмы обработки информации (нужно сказать, что это "только" часто бывает чрезвычайно сложным).

Основное отличие роботов от автоматов заключается в различии их функциональных возможностей. Автоматы - это, как правило, специальные или специализированные машины, ориентированные на выполнение очень узкого круга технологических операций. Часто они предназначены для обработки только одной определенной детали в течение многих лет. Поэтому они имеют минимальную функциональную избыточность, т. е. не могут делать ничего "лишнего". Это разумно, так как иначе эти автоматы были бы более сложными, дорогими, менее надежными. Другое дело - роботы. Они предназначены для выполнения широкого круга технологических задач, поэтому должны обладать гибкостью, которая обеспечивается за счет их функциональной избыточности и способности быстро перестраиваться на выполнение различных технологических операций.

Принципиальное же отличие робота от ЭВМ, очевидно, состоит в том, что робот способен не только перерабатывать информацию, но и физически воздействовать на окружающую среду. Причем соотношение между "умственной" и "физической" деятельностью робота, объем и характер информации, перерабатываемой им, и определяют уровень его "интеллекта". Создаваемые сейчас роботы второго и третьего поколений часто не уступают микро- и мини-ЭВМ по возможностям переработки информации.

Если же говорить проще об отличии робота от других средств автоматизации деятельности человека, то можно сказать так: ЭВМ умеют думать, автоматы умеют делать, а роботы умеют и думать, и делать.