Глава 3. Очувствленные роботы - роботы второго поколения

1. Искусственные органы чувств

Многие роботы первого поколения, используемые в сфере производства, остро нуждаются в очувствлении с целью получения информации об окружающей среде, а также в дальнейшем совершенствовании управляющей системы. Так, например, в инструкции по эксплуатации программного манипуляционного робота "Юнимейт", в частности, отмечается: "Робот лишен зрения и разума. Поэтому любой предмет или человек, оказавшийся на его пути, получит удар от движущейся "руки". В результате пострадает либо человек, либо мешающий роботу предмет, либо сам "Юнимейт".

Мы уже отмечали в предыдущей главе, что роботы первого поколения не способны оперировать с неизвестными произвольно расположенными и неориентированными объектами и требуют создания дополнительных приспособлений для специальной организации рабочей зоны. Все это усложняет и удорожает автоматизацию, делает ее менее гибкой. Избежать этих неприятных последствий сенсорной и интеллектуальной ограниченности роботов первого поколения можно путем существенного расширения ассортимента и характера информационно-измерительных датчиков и управляющих программ. Так появились роботы второго поколения - очувствленные роботы.

Эти роботы отличаются от роботов первого поколения существенно большим ассортиментом искусственных органов чувств. Это прежде всего тактильные, зрительные, звуковые, а также и некоторые другие сенсорные датчики. Органы чувств роботов второго поколения служат для ввода информации о состояниях робота и окружающей среды в управляющую систему, которая уже не ограничивается запоминающим и программирующим устройством, как в роботах первого поколения, а требует для своей реализации управляющей ЭВМ. Именно очувствление в сочетании с достаточно совершенным и разнообразным программным обеспечением управляющей ЭВМ позволяют" роботам второго поколения работать с неориентированными предметами произвольной формы, осуществлять сборку и монтаж конструкций по чертежу, взаимодействовать с внешней средой, выполнять требуемую (программную) последовательность операций в меняющейся обстановке. Таким образом, очувствление роботов является необходимой предпосылкой для повышения их функциональных возможностей.

Информационно-измерительная система очувствленных роботов, т. е. система их органов чувств, состоит из сенсорных датчиков внешней и внутренней информации. Соотношение между датчиками информации и их взаимодействие у этих роботов существенно другие, чем у программных роботов. Важно отметить, что для очувствленных роботов значительную роль играют датчики внешней информации, предназначенные для восприятия, анализа, распознавания и контроля состояний внешней среды. В качестве датчиков внутренней информации могут, в частности, использоваться датчики, применяемые в роботах первого поколения.

Каковы же требования, предъявляемые к датчикам внешней информации? Какова конструкция и основные характеристики этих датчиков?

В зависимости от назначения очувствленного робота его датчики внешней информации должны имитировать осязание, зрение, слух и т. п. Кроме того, могут потребоваться датчики для измерения радиоактивности, давления, влажности, температуры и других физических величин. Эти датчики должны обладать высокой точностью, надежностью, быстродействием, а также иметь малые габариты, вес и стоимость.

Надо отметить, что сейчас техника располагает датчиками и приборами, которые во много раз чувствительнее наших органов чувств. Микрофон слышит лучше, чем человеческое ухо, фотоэлемент видит большую часть спектра лучше, чем глаз. Сейсмограф более чувствителен, чем наши органы осязания, и, конечно, температуру по сравнению с термометром человек определяет совсем плохо.

Пожалуй, только одно чувство - обоняние, т. е. обнаружение и определение небольших количеств примесей органического вещества, у человека и животного более совершенно, чем у существующих приборов. В этой связи интересно напомнить, что органы обоняния - одни из самых сложных органов чувств, а природа явления, на основе которого они функционируют, до сих пор не открыта. Поэтому "догнать обоняние собаки" - одна из актуальных проблем очувствления роботов.

Опыт изучения органов чувств человека и животных содержит много сведений, которые могут быть использованы в качестве предпосылок для разработки искусственных органов чувств. В живых системах все органы чувств оснащены собственными органами движения, которые в свою очередь богато снабжены кинестетическими рецепторами. При восприятии существенная роль принадлежит как отдельным рецепторам, так и рецептивным полям и локальным детекторам, позволяющим выделять определенные простейшие признаки объектов. При анализе среды и внутреннего состояния важную роль играет совместная координированная обработка сенсорных сигналов различных типов с учетом производимых действий.

Взаимодействие человека с внешней средой в значительной степени основано на переработке зрительной, звуковой и тактильно-кинестетической информации. Существуют также ситуации, когда только тактильные и кинестетические ощущения способны дать правильную информацию о характеристиках среды. Эти ситуации возникают, например, тогда, когда необходимо осуществлять микродвижения пальцев для определения формы и качества поверхности окружающих предметов, а также в тех случаях, когда имеются помехи зрительному контролю.

Рассмотрим более подробно некоторые типы искусственных органов чувств, предназначенных для измерения характеристик внешней среды.

Тактильные и кинестетические датчики. Решение многих задач, связанных с поиском предметов, их захватом и манипулированием ими, стало возможным только с разработкой датчиков, обладающих тактильной и кинестетической чувствительностью. Простейшим типом таких датчиков являются контактные датчики. Они представляют собой микропереключатели, фиксирующие соприкосновение с предметом.

Тактильные датчики позволяют реагировать на прикосновение и измерять давление в местах соприкосновения (контакта) датчика с предметом. Они обычно размещаются на бамперах транспортных роботов или на схвате манипуляционных роботов. Эти датчики служат для обнаружения отдельных предметов, предотвращения повреждений этих предметов и самого робота, а также для распознавания внешней обстановки путем соприкосновения и ощупывания.

Кинестетические датчики регистрируют положение, перемещение исполнительных органов (например, пальцев захвата манипулятора) и возникающие в них усилия.

Важной особенностью тактильных и кинестетических датчиков является их способность работать практически в любой среде. В частности, эти датчики незаменимы для подводных роботов, так как при замутнении воды перестает работать телевизионный или оптический канал обратной связи.

Зрительные датчики. Для автоматического восприятия и анализа объемных (трехмерных) сцен необходима специальная аппаратура, которая по существу должна имитировать в функциональном отношении работу глаз. Она должна обеспечивать решение таких задач, как активный поиск объектов путем изменения ориентации зрительного датчика, автоматическая фокусировка изображения, измерение дальности до предметов, настройка чувствительности датчика в зависимости от изменения условий освещенности, выделение признаков изображения (цвет, текстура, контуры, размеры, форма и т. п.).

При зрительном очувствлении роботов источником информации служат телевизионные и оптические датчики. Телевизионный датчик ("телеглаз") представляет собой телевизионную камеру с тем или иным законом развертки, в процессе которой все изображение или его фрагмент фиксируется в памяти в виде двухмерной матрицы распределения яркости оптической проекции реальной объемной сцены. В супервизорном режиме управления роботом обычно предусматривается возможность целеуказания, например, путем прикосновения "световым пером" к соответствующему месту экрана дисплея, на котором высвечиваются телекадры поля зрения. Однако телевизионное изображение является плоским, в отличие от самих предметов, которые, конечно, имеют три измерения. Это лишает человека и робота объемности восприятия и связанного с ним "эффекта присутствия". Поэтому большое значение для очувствления роботов приобретают средства голографии, которые позволяют записывать и восстанавливать не двухмерное распределение яркости, а световую волну, исходящую от предмета, со всеми ее подробностями. Для определения цвета предметов в роботах используются фотоэлементы, фотодиоды, светофильтры, световоды и другие элементы вместе с источниками света. Обнаружение и определение положения предмета с помощью оптических датчиков основано на регистрации сигналов при пересечении предметом светового потока.

Ведутся исследования по созданию сканирующих лазерных дальномеров, голографического телевидения и т. п. Основным недостатком зрительных датчиков является их непригодность при отсутствии источников света или в условиях с сильным рассеянием или поглощением света, например, под водой или в космическом пространстве.

Звуковые датчики. К звуковым датчикам относятся разного рода микрофоны и ультразвуковые датчики. Микрофоны служат для восприятия звуковых команд при голосовом управлении роботом. Ультразвуковые датчики состоят из передатчика и приемника сигналов. С помощью отраженного от предметов ультразвукового сигнала они могут их обнаруживать и определять расстояние до них.

Ультразвуковые датчики имеют по сравнению с оптическими следующие преимущества: они могут обнаруживать прозрачные объекты; их показания не зависят от условий освещения и малочувствительны к изменению физических свойств среды (пыль, пар, жидкая среда); срок службы генераторов колебаний практически неограничен и т. д. Однако ввиду нечеткой направленности ультразвуковых колебаний точность определения расстояний до предметов у таких датчиков невысока. Кроме того, они не способны обнаруживать объекты с очень малыми габаритами, что связано с относительно большой длиной ультразвуковых волн.

Помимо описанных датчиков, очувствленные роботы снабжаются по мере необходимости и другими: магнитометрами, температурными датчиками и т. д.