Глава 10. Перспективы развития робототехники

10.1. Основные задачи и направления роботизации

В настоящее время уже очевидны новые принципиальные возможности робототехники в завершении комплексной автоматизации производства, в создании гибких легко переналаживаемых технологических участков, в построении трудосберегающих производственных процессов, полностью автоматизированных цехов и заводов.

Одной из основных задач на 80-е г. г. является интенсификация народного хозяйства, увеличение выпуска продукции на существующих производственных площадях при значительном уменьшении числа людей, занятых в производственном процессе. Вместе с тем поставлена задача осуществления гибкой переналаживаемости производства на новые технологические процессы и новые изделия. Для решения таких фундаментальных задач необходимы коренная реконструкция и техническое перевооружение производства всех отраслей на базе комплексной механизации и автоматизации с введением многофункциональных переналаживаемых и перепрограммируемых машин и технологических линий, в основном с числовым программным обеспечением и с управлением от ЭВМ. При этом необходимо использование всего арсенала технических средств механизации и автоматизации, начиная с простейших традиционных и кончая универсальными робототехническими системами. Однако многие прежние традиционные средства механизации и автоматизации в большей или меньшей степени должны быть модернизированы для включения их в общий обновленный автоматизированный производственный комплекс, управляемый с помощью ЭВМ и поддающийся достаточно гибкой переналадке.

Полное решение поставленных задач невозможно без переосмысливания организации и содержания технологического процесса с расчетом на самое широкое применение робототехники в различных формах (наряду с другим необходимым оборудованием). При этом наивыгоднейшее решение задачи может обеспечить лишь системный подход и комплексное рассмотрение всего многообразия технических, экономических и социальных вопросов, которые прямо и косвенно могут влиять на эффективность результатов проводимой перестройки производства.

Но, говоря о задаче технического перевооружения существующих производств как об основной, нельзя упускать из виду и другую задачу - проектирование и оснащение вновь создаваемых производств. Не допустимо было бы, чтобы новое производство создавалось на прежней основе, т. е. оно должно сразу базироваться на совершенно новых принципах комплексной механизации и автоматизации с еще более широким применением робототехнических средств. При этом надо учитывать возможность работы роботов в некомфортных условиях, в связи с чем могут быть изменены целесообразным образом конструкция машин и производственных линий, сопрягаемых с роботами. Так, робот может одинаково успешно действовать на полу, стене, под потолком, со светом и без него, в душном и шумном пространстве, в агрессивной среде, у горячих объектов, в вакууме, под водой и т. п.

При изготовлении и сборке небольших изделий отдельные технологические операции могут производиться в ячейках, расположенных на стене как пчелиные соты. Роботы же, совершая вспомогательные операции загрузки, выгрузки и переноса деталей, а также и основные сборочные операции, могут автоматически в соответствии с программой перемещаться вдоль ячеек по горизонтали и вертикали. Программа при необходимости может быстро изменяться или автоматически адаптироваться к многономенклатурной продукции.

Крупные изделия можно обрабатывать и собирать без перемещений, обслуживая их снизу, сверху, с боков и изнутри с помощью целой группы роботов, действия которых согласуются централизованной системой управления.

Во всех случаях применение роботов облегчает проведение параллельно нескольких операций. Опыт говорит о большой выгоде именно не одиночного, а группового применения роботов в технологических линиях. При этом упрощается техническое обслуживание (один оператор-наладчик на несколько роботов), резко увеличивается производительность при значительном уменьшении числа занятых людей, создается возможность совместного управления роботами и оборудованием с помощью меньшего числа ЭВМ, появляются дополнительные возможности обновления и увеличения эффективности производства, перехода на более высокую технологию и новые изделия. Эти положения оказывают решающее влияние на дальнейшее развитие робототехники и роботизированного производства.

В производственной сфере ускоряющимися темпами будут роботизироваться все больше различных видов производственных процессов. В первую очередь это касается всех видов тяжелых, вредных и вспомогательных операций. Это основной резерв увеличения производительности труда, повышения качества изделий, ритмичности и сменности производства. В рассматриваемой проблеме еще очень много нерешенных как технологических вопросов, так и вопросов создания необходимых роботов, в том числе с различными средствами очувствления и адаптивного управления на базе микропроцессорной техники.

Далее следует отметить, что столь же быстрыми темпами будет развиваться и роботизация основных технологических операций, таких, как сварка, окраска и т. п., где также много ручного труда, хотя и более квалифицированного. Ликвидация этих видов ручного труда имеет очень большое социальное и экономическое значение. Автоматизация указанных технологических операций в еще большей степени требует создания и серийного производства очувствленных адаптивных роботов, в том числе с техническим зрением и с распознаванием предметов как по заданным признакам, так и по эталонам.

Во всех случаях первоочередной задачей является разработка соответствующих роботизированных технологических комплексов, как для реконструируемых, так и для новых производств. Этим и будут определяться требования к роботам и к их типизации и унификации. Отсюда же будет вытекать необходимый комплекс технических средств очувствления роботов и программного обеспечения их систем управления, включая разработку новых форм и алгоритмов адаптации.

Важнейшую роль будет играть организация серийного производства датчиков очувствления, микропроцессорных устройств и других комплектующих изделий, которые должны удовлетворять новым весьма специфическим требованиям робототехники. Очень остро в этой связи стоит вопрос об ускорении создания и производства электромеханических роботов, а последнее требует серийного производства электроприводов, включая электродвигатели разных типов, механизмы передач, управляющие устройства с внутренними обратными связями и импульсными датчиками, облегчающими цифровое программное управление от ЭВМ и микропроцессоров.

Вместе с тем большого совершенствования требует и применяемая сейчас в роботах гидравлика и пневматика, без которых в ряде случаев нельзя обойтись.

Управляющие вычислительные системы роботизированных технологических комплексов должны быть сопряжены с общецеховыми и заводскими АСУ и составлять часть организма автоматизированного управления производством. Здесь также возникает ряд новых алгоритмических, программных и языковых задач, а также задач автоматизации контроля и представления результатов человеку-оператору.

Важным объектом роботизации будет и другая сфера производственной деятельности, связанная с существенным уменьшением рутинного ручного труда при проектировании и расчетах, как самих изделий, так и технологических процессов их производства. Появившиеся сейчас системы автоматизирования должны становиться более универсальными, гибко перестраиваемыми, охватывающими все большее число элементов процесса проектирования в автоматическом режиме с совершенствованием форм общения с человеком.

Непосредственная увязка процесса проектирования изделия и технологии с процессом производства приведет к тому, что во многих случаях отпадает этап изготовления и хранения чертежей. Задание на то, что должно быть выполнено в роботизированной технологической линии, может поступать в нее из системы автоматизированного (или автоматического) проектирования непосредственно в виде цифровых программных документов на магнитных лентах, дисках или других носителях информации, на которых они хранились. И с этих же программных документов при необходимости в любое время можно на автоматическом графопостроителе сделать чертеж или технологическую карту, но уже не как обязательный цеховой документ, а лишь при желательности визуального контроля. На такой основе можно осуществить не только трудосберегающую технологию производства, но и почти полностью автоматизированные конструкторско-технологические бюро с передачей программной документации в цех.

При трудносберегающем производстве на роботизированных технологических линиях естественно должны быть созданы и соответствующие связи этих линий между собой и со складами деталей и инструментов. Для этого нужны роботизированные транспортные средства, как в виде подвесных движущихся устройств, ленточных и пр., так и в виде колесных и иных напольных тележек, которые автоматически передвигались бы по определенным адресам. При этом автоматические манипуляторы должны по программным сигналам загружать их и снимать при необходимости детали и инструменты для автоматической установки в станки или другие рабочие агрегаты или складные ячейки. Кроме того, должны быть предусмотрены устройства, предотвращающие столкновение с препятствиями, аварийный останов и другие меры безопасности.

Подобные системы уже осуществлены на предприятиях, для которых достаточно просто можно запрограммировать большинство технологических операций и производственных связей. Однако в сложных и разнообразных условиях современного производства с широким внедрением автоматизации на базе электронной техники требуются новые средства и методы управления, включая элементы искусственного интеллекта. Это означает наличие развитой системы очувствления роботов (манипуляционных, мобильных, информационных и управляющих), включая искусственное зрение; системы автоматического распознавания образов с построением цифровой модели среды в "мозгу" (ЭВМ) робота; системы сравнения этой модели с заложенным в память робота заданием на определенный трудовой процесс; системы автоматической выработки на этой основе и принятия решения роботом о своих дальнейших действиях, планирования их и формирование сигналов управления на исполнительные устройства робота и сопрягаемого с ним оборудования с учетом состояния последнего по информации соответствующих обратных связей.

Во всем этом чрезвычайно велика роль микропроцессорных вычислительных и логичесикх устройств, а также математического (алгоритмического и программного) обеспечения. При этом очень важным обстоятельством, специфическим для роботов, в отличие от других областей применения искусственного интеллекта является необходимость реализации всего сложного комплекса обработки информации и логических действий в реальном темпе протекания самого трудового процесса, обслуживаемого роботом. Поэтому в каждом роботе, как правило, должна быть целая сеть микропроцессорных устройств кроме центральной ЭВМ, которая управляет группой роботов в техническом комплексе.

Необходимо заметить, говоря об интеллекте робота, о воспроизведении им не только двигательной, но и умственной деятельности, о его творческих способностях, зрении и т. д. и т. п., всегда нужно помнить, что за одинаковостью всех этих терминов по отношению к человеку и к роботу кроется коренное различие в содержании и природе явлений.

В самом деле, сходство робота и человека состоит во внешнем процессе функционирования, в конечных результатах действий. Внутренняя же организация и небиологическая природа устройств робота говорят о том, что в нем вовсе нет копирования внутреннего "механизма" мышления, творчества и двигательных действий человека. Добавим, что к тому же полностью этот внутренний процесс в человеческом мозгу учеными еще не раскрыт. Но очевидно, что и нет никакой необходимости копировать в этом смысле человека. Важна имитация в работе именно внешнего проявления человеческих действий. А средства их реализации в технике совершенно другие. В связи с этим можно сказать, что задачи создания искусственного интеллекта связаны больше с психологией, поведенческими свойствами человека, а не с физиологией.

Конечно сказанное здесь не исключает детального изучения различных органов животных и моделирования их деятельности техническими средствами, чем занимается бионика. Это имеет большой смысл и должно использоваться в робототехнике.

Важно, что робот не просто имитирует внешние функции человека, а и превосходит их, реагируя, например, на ультразвук, выдерживая жару, вакуум, имея телескопические суставы рук, большую силу. Однако во многом, особенно в интеллекте, он уступает человеку.

Сложность задач такова, что экспериментальная часть исследований в этих проблемах играет главную роль. Для их осуществления требуется создание многомашинных ЭВМ, исследовательских комплексов, на которых моделировались бы и оптимизировались процессы, связанные с элементами обработки сенсорной информации, искусственного интеллекта и формирования адаптивного управления. Эти комплексы должны иметь диалоговую периферию и средства всестороннего представления и анализа результатов эксперимента. Такие исследовательские комплексы должны быть полунатурными, т. е. к входным устройствам ЭВМ должны присоединяться реальные сенсорные устройства, а к выходным - реальные манипуляторы с макетами производственных сцен.

Кроме научных исследований на таких полунатурных комплексах с ЭВМ можно производить и сравнительную оценку различных вариантов систем управления роботов, а затем и тщательную отработку окончательно выбранного варианта и его математического обеспечения с выработкой непосредственно практических рекомендаций для реализации системы в конструкторском бюро в на производстве.

Подобные исследовательские комплексы будут основным средством перспективных исследований и средством выработки целесообразных путей дальнейшего развития робототехнических систем. К этому надо добавить только, что неотъемлемой частью такого рода исследований должен быть наиболее полный учет всех тонкостей технологического процесса, ради совершенствования которого эта система создается. Это должно быть отражено как в математическом моделировании, так и в полунатурном физическом моделировании условий производства.

Выше говорилось в основном об автоматически действующих роботах. Все эти вопросы остаются в силе и для дистанционно управляемых роботов. Но при этом возникают еще вопросы, связанные с дистанционной передачей и представлением информации для наблюдения за действиями робота и с формированием и передачей от оператора сигналов управления к роботу. Здесь главенствующими становятся вопросы инженерной психологии и эргономики в дополнение к задачам технической реализации системы.

В отношении же применения таких систем в экстремальных условиях, где человек способен контролировать и управлять лишь издали, можно сказать, что основным направлением развития в этой области будет все меньшее возложение задач на копирующие и полуавтоматические манипуляторы и значительное увеличение роли дистанционно управляемых роботов с супервизорным и диалоговым управлением, о которых говорилось в гл. 1. Будут создаваться и полностью автономные роботы с искусственным интеллектом, которые смогут самостоятельно действовать в экстремальных условиях, например, в шахтах, глубинах океана.

Выше в основном шла речь о разных областях трудовой человеческой деятельности, связанных с производством. Однако робототехника будет все активнее внедряться и в другие сферы человеческой деятельности: науку, медицину, торговлю, предприятия бытового обслуживания, питания и домашний быт. Об этом труднее говорить конкретно, хотя и здесь имеются определенные достижения, в том числе в медицинской технике. Развитие элементов искусственного интеллекта сделает роботы активными помощниками человека во всех областях деятельности.

В принципе робототехника призвана автоматизировать все неинтересные для человека действия рутинного характера. При этом речь сможет итти не только о двигательных функциях, но и об умственной работе.

Поэтому, понимая робототехнику в широком смысле слова как создание систем, имитирующих двигательные и интеллектуальные действия человека, нужно иметь в виду не только чисто манипуляционные роботы, но и робот-информатор, библиотекарь, диагностик, продавец и т. д., для характеристики которых можно предложить объединяющий термин - "робот-специалист".

Роботы-специалисты будут конструироваться как машины, или более удобными для технической реализации и исполнения своих функций. При этом вовсе не обязательно, например, мозг робота (ЭВМ) оформлять в виде головы. Он может, например, иметь вид отдельной стойки или быть встроен в общий корпус системы, в определенный механизм и т. п.

С применением роботов-специалистов, так же как и промышленных роботов, существенно повысится производительность и качество исполняемой работы. Последнее вытекает из того, что в такой робот можно заложить не только умение одного специалиста, а весь накопленный человечеством опыт в данной области.

Чрезвычайно большое значение имеет роботизация сельскохозяйственных работ. Самоходные сельскохозяйственные орудия, агрегаты, комбайны, роботизированные системы транспортировки, погрузки, разгрузки, складские операции важны для интенсификации всего сельскохозяйственного производства и решения проблемы трудовых ресурсов, существенного "сокращения доли ручного труда.

То же касается и всех этапов строительного производства и самого строительства. Особенно это важно для организации безлюдной работы в шахтах, рудниках и многих других объектах с тяжелым и опасным физическим трудом.

Очевидно, что робототехника в ближайшие десятилетия произведет революционные преобразования в техническом оснащении всех сторон человеческой деятельности, ибо она сочетает в себе интеллектные возможности вычислительной техники с всесторонним восприятием окружающей среды (средствами очувствления) и с активным воздействием на эту среду (либо манипуляторами, которые снабжаются различными видами захватных устройств и инструментов, либо самоходными орудиями труда.) В этом состоят принципиально новые возможности,благодаря которым именно робототехнические системы способны в автоматических режимах наиболее полно имитировать процессы трудовой деятельности человека во всех сферах и быту.

Сейчас робототехника делает свои начальные шаги. Поэтому трудно себе представить и понять во всем объеме связанную с ней предстоящую техническую революцию. Важно, что поскольку робототехника коренным образом меняет характер трудовой деятельности человека, повышая культуру труда, ликвидируя в перспективе все малоквалифицированные трудовые процессы, то весьма велики благоприятные социальные последствия широкого применения робототехники.