Текст книги "Знакомьтесь - роботы!"

Автор книги: Арон Кобринский

Соавторы: Иван Артоболевский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 17 страниц)

Первое поколение

Когда говорят о людях одного поколения, то имеют в виду группу людей, живущих на протяжении одного и того же исторического отрезка времени, и совершенно не имеют в виду их способности, квалификацию или обязанности, которые они выполняли.

Когда говорят о роботах первого поколения, совершенно не имеют в виду год их выпуска, а характеризуют этим названием только уровень их функциональности, "квалификации".

Роботы первого поколения не "видят", не "осязают", они не имеют никаких "органов чувств – механизмов", которые информировали бы их о том, что происходит в рабочей зоне, там, где расположен объект манипулирования, как он себя ведет. Все, что должен делать такой робот, надо ему задать во всех подробностях до того, как он начнет работать. Его нужно "научить" заранее, в процессе работы он ничему не может научиться, опыт работы ему впрок не идет.

Робот первого поколения – автомат с программным управлением, отличающийся от всех других таких автоматов специфическим устройством исполнительного органа, представляющего собой механическую руку, обладающую тем или иным числом степеней подвижности в зависимости от ее конструкции и уровня универсальности движений, на который она рассчитана.

Несмотря на такую принципиальную простоту современных промышленных роботов, их конструктивные решения чрезвычайно разнообразны. Разнообразны конструкции механических рук, разнообразны системы управления их движениями, методы их "обучения", программирования. Инженеры и конструкторы не строили и не строят эти машины "по своему образу и подобию", и тому есть веские причины.

Руки у всех людей устроены одинаково; одно и то же число подвижных сочленений, одинаковые вид и конструкция, одинаковое количество мышц, одинаковые системы управления; мы уже достаточно подробно познакомились с их "техническими характеристиками".

Менее известен тот факт, что у всех людей приблизительно одинаковы даже относительные размеры всех звеньев руки – плеча, предплечья и характерного размера кисти. В среднем у всех людей длина плеча составляет 0,46 длины всей руки, предплечья – 0,40, кисти – 0,14. Отклонения от средних значений у разных людей очень невелики, так же как отклонения от средних величин углов поворотов в суставах.

Отсутствие в конструкции нашего тела сочленений, допускающих относительное вращение или значительные поступательные перемещения сочленяемых звеньев, можно объяснить понятными конструктивными соображениями. Мы это пытались сделать раньше. Что же касается удивительного постоянства относительных размеров звеньев живой руки, неизменно повторяющихся миллиарды раз, то нам не удалось нигде найти ответ на, казалось бы, самый естественный вопрос: чем это постоянство объясняется? Как здесь проявилась мудрость Природы? А кстати, нигде нет ответа на еще более простой вопрос: чем пять пальцев кисти лучше четырех или шести? Даже на этот вопрос вы не найдете ответа, если не считать наивных соображений о том, что четырех пальцев мало, а шести – много!

Мы не напрасно уделяем так много места рассказу об устройстве и свойствах нашего тела. Мы хотим вместе с вами разобраться в том, насколько глубоко и последовательно можно использовать в робототехнике подход, основанный на методах бионики, на изучении особенностей и свойств естественных, живых систем с целью воспроизведения этих особенностей и свойств в искусственном, неживом.

Очень полезный сам по себе, этот подход хорошо "работает", когда речь идет о внешних проявлениях деятельности живой системы, о том, что она делает. Машины и автоматы в конечном счете делают то, что раньше делал человек или что он собирался или собирается делать. На этом уровне бионический подход оказывается чрезвычайно полезным.

Но по мере того как пытаемся проникнуть в глубь изучаемых процессов, переходим от вопроса "что делает?" к вопросу "как делает?", так, к сожалению, полезность бионического подхода резко убывает.

Чрезвычайно полезно было заметить ту множественность функций, ту универсальность, какая свойственна живой руке, а затем воспроизвести эти ее "генеральные" свойства в механической руке. Но зачем делать механическую руку антропоморфной, зачем навязывать ей структурные, кинематические, другие ограничения, несущественные для механической системы? Зачем ее звеньям придавать относительные размеры, свойственные живой руке, не умея объяснить, в чем преимущество этих размеров перед какими-либо другими?

Никто не ответит убедительно на эти вопросы, на многие другие вопросы, касающиеся механизмов управления, обучения и самообучения в живых системах.

Машина – не человек. В ней все проще, понятней. Но машина – не таблица умножения, в которой всегда 2х2=4. Одну и ту же группу задач автоматизации могут успешно решать самые различные роботы, а существующее уже сегодня разнообразие и изобилие этих задач дает все основания думать, что вообще не существует одной-единственной исключительной конструкции робота, которая была бы наилучшей со всех точек зрения для любых применений.

Опыт Природы, создавшей для всех "человеческих" применений единственную "конструкцию" в виде нашего тела, не является убедительным, когда речь идет о роботах.

Наша книга не справочник по робототехнике, но два-три примера, иллюстрирующих сказанное здесь, не будут лишними.

Один из первых промышленных роботов – робот «версатран», который до сих пор выпускается в США и в Англии. Он, как и все машины с программным управлением, как все другие конструкции промроботов, состоит из двух блоков: исполнительного, включающего руку со всеми приводами, обеспечивающими ее движения, и управляющего – в виде отдельного пульта.

Описание его устройства и принципа действия, сделанное сухим, техническим языком, выглядит так. Механическая рука с кистью, к которой крепится сменный захват, проходит через прорезь в вертикальной поворотной колонке. Рука имеет три степени подвижности, три управляемых движения: два поступательных – относительно колонны – вдоль и поперек ее оси, и одно вращательное – вместе с колонной. Еще два движения имеет кисть в "лучезапястном" суставе. Шестое движение – открытие-закрытие захвата. Поступательные перемещения рука совершает в пределах 0,75 метра, допустимый поворот колонны – 240 градусов.

Робот "версатран" выпускается в двух вариантах, отличающихся способами программирования и, как следствие этого, функциональными возможностями.

Один из вариантов предусматривает ручной набор программ с помощью специального программного барабана. Набор программы сводится к тому, что включается специальное ручное управление. С помощью отдельного блока, содержащего три вращающиеся ручки, "обучающий" последовательно переводит механическую руку из одной нужной позиции в другую.

Положение руки в каждой позиции "запоминается" в одной из "строк", с помощью специальных штырьков, имеющихся на барабане. Программный барабан при переходе руки из одной позиции в следующую поворачивается на одну строку. Так одно за другим запоминаются последовательные положения руки, строится программа полного цикла ее движения. На этом процесс обучения заканчивается.

При автоматическом воспроизведении программы нажимом кнопки приводится во вращение программный барабан, штырьки последовательно включают приводы, обеспечивающие движения руки в соответствующих направлениях.

Описанный только что вариант управления роботом "версатран" подобен устройству кнопочной системы ручного управления. Разница только в том, что здесь человек только один раз, в процессе обучения робота, "нажимает кнопки" в строках программного барабана, вводя всю программу, а затем эту программу робот может многократно воспроизвести в автоматическом режиме. При этом, как и в системе кнопочного управления, программа управляет только включением и выключением приводов; скорости руки программой не задаются. Такие системы управления называют позиционными.

Естественный отбор

Второй вариант управления роботом «версатран» существенно отличается от первого. Принцип его легко понять, вспомнив устройство магнитофона; оно позволяет с помощью микрофона записать на движущуюся магнитную ленту любую мелодию, а затем воспроизвести эту мелодию с помощью динамика.

Звук на магнитной ленте "запоминается" в форме невидимых глазу магнитных меток. В точно такой же форме на магнитной ленте можно "запомнить" перемещения руки. Каждому из управляемых движений робота можно отвести на магнитной ленте отдельную "строку", причем сигналы в этой строке могут управлять не только включениями и выключениями соответствующего привода, но и скоростью движения руки по этому направлению.

У захвата робота имеется дополнительная рукоятка, предназначенная специально для целей обучения. Руку переводят на "ручное управление". Оператор включает магнитофон на запись программы и начинает двигать захват, воспроизводя все движения, которые должен будет потом повторять робот. Движения захвата то замедляются, то ускоряются, соответственно замедляется и ускоряется работа приводов, все эти изменения регистрируются на магнитной ленте. Цикл обучения на этом кончается.

Затем оператор переключает робот на автоматический режим. С этого момента магнитная лента – результат обучения робота – становится программой его работы.

Систему управления, обеспечивающую возможность произвольно менять скорости движения руки на протяжении всего рабочего цикла, называют системой непрерывного, или контурного, управления.

Позиционная и непрерывная системы составляют два основных типа систем, используемых при создании промышленных роботов. Обучать роботов можно либо так, как мы только сейчас рассказали, то есть вручную отрабатывая всю программу и заставляя робот запомнить ее в той или другой форме, либо можно рассчитать программу, используя необходимую технологическую информацию, и внести непосредственно в память робота, не моделируя ее в форме движений захвата. Для этого также существуют самые различные способы и устройства.

Семейство "бесчувственных" роботов растет. 3500 роботов, которые, по подсчетам специалистов, работали в 1975 году на производстве, – это не 3500 "версатранов". Это многие десятки самых различных типов, вариантов, конструкций роботов и систем управления ими: американские роботы "юнимейт", "тралфа", "велдотрон", "трансива", "мобилити", "флэксимен" и другие; японские роботы фирм "Синко Дэнки", "Курода", "Мицубиси", "Фудзикоси", "Аида", "Токио Кэйки" и т. д.; английские роботы "минитрэн", "минимэн", "машеми"; роботы шведские и др. Все они разные, несмотря на то, что все они обладают специфическими, характерными только для роботов свойствами.

Проблемой создания и внедрения промышленных роботов заняты также и советские ученые и инженеры. Они начали заниматься этим еще в 60-х годах, и в результате ими уже создано много опытных образцов. В числе первых – роботы универсального назначения УМ-1, "Универсал-50", УПК-1. Проблемам робототехники, обещающей освободить человека от утомительного, однообразного, вредного труда, в нашей стране уделяют особое внимание.

Роботы первого поколения сегодня переживают один из самых ответственных периодов своего существования – период внедрения, период "естественного отбора". Идет жестокий отбор их конструкций, причем критерии, по которым он производится, разнообразны и многочисленны – стоимость и универсальность, грузоподъемность и габариты, объем обслуживания и удобство программирования, и, конечно, два чрезвычайно важных критерия, характеризующих точность и быстроту их действия.

Точность и быстрота – основа качества и производительности любого труда – ручного, механизированного, автоматизированного.

Нормы времени и нормы точности в той или иной форме содержатся в любом задании, которое выдается человеку, участвующему в процессе производства, будь то оператор у конвейера, рабочий у станка, электромонтажник или редактор. Эти нормы нисколько не противоречат естественному человеческому свойству работать каждому по-своему – как ему удобнее, привычнее. Производственные нормы не подавляют человеческой индивидуальности, они лишь согласовывают миллионы индивидуальностей, позволяют их соразмерить, правильно оценить, обеспечивают коллективность действий,

Коллективные действия, как и коллективные решения, не есть простая сумма множества в точности одинаковых индивидуальных действий. Это намного сложнее. Это результат множества во многом отличающихся действий, по-разному направленных на достижение одной и той же цели, одного и того же результата. Чем сложнее процесс, который необходимо оценить, тем острее необходимость в точных критериях его оценки.

Точность и производительность – два ключевых критерия, по которым оцениваются главные качества подавляющего большинства новых машин, автоматов, любого производственного оборудования. Эти критерии используют не только для оценки результатов труда человека, но и для оценки результатов работы машины.

Значит, когда речь идет о замене у конвейеров, станков, машин коллектива людей комплексом роботов, наличие количественных критериев, в том числе критериев точности и производительности, позволяет оценить эффективность такой замены.

Но, конечно, в полном объеме такая оценка приобретает смысл, когда роботы заменят десятки и сотни тысяч людей, когда они массами будут работать на производстве. Только тогда можно будет надежно оценить и технические, и экономические, и социальные последствия роботизации производства.

А пока идет первый и самый сложный этап внедрения. Он включает не только естественный отбор конструкций роботов, сопровождающийся "межвидовой борьбой." – конкуренцией, соревнованием. Он включает еще и "естественный отбор" технологических процессов, выявление тех из них, которые следует роботизировать сначала, тех, с роботизацией которых торопиться не следует, и тех, которые сегодня вообще не поддаются роботизации, хотя это крайне необходимо.

Роботов приспосабливают для загрузки и выгрузки заготовок и изделий, очистки деталей, сварки и окраски, обслуживания технологических процессов штамповки, литья, прессования, множества других самых разнообразных процессов. А технологические процессы приспосабливают к выполнению их работами, к их роботизации. Этап внедрения диктует необходимость быстро и надежно формулировать новые требования к конструкциям машин, станков, оборудования и новые требования ко все новым и новым конструкциям роботов первого поколения, и не только к ним, но и к роботам ближайшего будущего, которые должны будут обладать более широкими функциональными свойствами, более высокой квалификацией.

При программировании «бесчувственного» робота подразумевается, что он работает в строго определенных условиях, касающихся не только его, но и внешнего мира, с которым он взаимодействует; имеется в виду, например, что заготовки, грузы и изделия, которые он должен брать, всегда оказываются на одном и том же месте, что там, куда он их должен ставить или класть, всегда будет свободное пространство и т. п. Иначе он и не может работать, поскольку его взаимодействие с внешним миром носит односторонний характер: вся информация, которую несет программа, направлена из Центра на периферию, с пульта управления к механической руке, а извне в процессе работы он никакой информации не получает. Правда, каждое из своих движений робот выполняет по замкнутой схеме, по схеме с обратной связью, но эта обратная связь укороченная, она замыкается внутри системы, не охватывает среду «обитания» робота, его рабочее пространство.

В результате получается, что самые небольшие изменения в окружающем мире могут моментально сделать робот непригодным к работе, вывести из строя. Разве можно мириться с такими ограничениями, с такой "уязвимостью" квалифицированной машины? Разве не являются естественными желания и стремления сделать робот по возможности более надежным? Но для этого его надо сделать "умнее".

Современный промышленный робот, механическая рука, управляемая программным барабаном, перфорированной или магнитной лентой, по своей мощности и неутомимости действительно превосходят человеческие возможности. Но неутомимость, сила, разнообразие движений – это ведь черты, характеризующие главным образом механические свойства системы.

Маленькому ребенку можно поручить собрать в коробку кубики, разбросанные по полу. Может быть, он выполнит это задание не самым экономичным образом, совершая много лишних движений, двигаясь не по самой короткой траектории сбора кубиков. Но ребенку достаточно указать только цель, а программу действий он выработает сам в процессе достижения этой цели.

Задачу собрать кубики можно поручить "версатрану". Если точно указать число и расположение кубиков, а также положение коробки, то он с этой задачей справится лучше ребенка. Но вот если коробки и кубиков не окажется на месте, "версатран" на это не обратит внимания: он соберет все кубики и сложит их там, где должна быть коробка, либо соберет в коробку не все кубики. Вы понимаете, насколько важно и полезно для многих практических нужд сделать робот поумнее, и еще умнее, и еще?

За работой

Конечно, интеллектуальные качества роботов первого поколения не вызывают особого восхищения. Но давайте посмотрим, как выглядит этот «бесчувственный» автомат в работе…

Казалось бы, несложная деталь – ступенчатый валик, тем более что заготовка для него уже готова. А все-таки: надо проточить его поверху так, чтобы образовалась ступенька. На этой ступеньке надо снять лыску, один из концов валика засверлить, закалить, а второй торец прошлифовать.

Необходимое для выполнения этих операций оборудование расставлено по кругу. Вот токарный станок, вот фрезерный, сверлильный, устройство для закалки токами высокой частоты, шлифовальный станок. У токарного станка специальный магазин, где в порядке, одна за другой, лежат заготовки, а у шлифовального станка – наклонный желоб. С виду оборудование совсем обычное, но станочников нет.

Одно из мест в круге занимает пульт управления.

А в центре круга – робот. Его механическая рука имеет своеобразную структуру. На массивной раме укреплена конструкция, напоминающая орудийную турель. Она может вращаться по кругу и, кроме того, менять угол подъема по отношению к горизонтали. Из турели высовывается ствол. На этом сходство с пушкой заканчивается. Ствол на конце несет подвижный захват, состоящий как бы из двух пальцев. Это советский промробот – "Универсал-50".

Станем в стороне и последим за тем, что происходит на этом участке. На токарном станке сейчас обтачивается очередной валик. На фрезерном станке обработка лыски скоро подойдет к концу, а сверло свою операцию уже заканчивает. В это время турель нацелена на закалочное устройство, ствол из нее выдвигается и поворачивается так, что захват оказывается над концом валика, высовывающегося из приспособления для закалки. Теперь начинает двигаться захват, пальцы открываются, хватают валик, все звенья этой механической руки опять приходят в движение и аккуратно переставляют деталь в зажимное приспособление шлифовального станка. Сработали зажимные электромагниты, и шлифовальный круг двинулся на валик.

С момента, когда мы начали свое наблюдение, прошло времени меньше, чем вам потребовалось, чтобы прочитать две предыдущие фразы. А рука успела повернуться к сверлильному станку, снять просверленный валик, установить его в закалочное приспособление и повернуться к фрезерному станку. Фреза закончила свою работу, разжалось приспособление, пальцы руки подхватили валик, перенесли его в оправку сверлильного станка, и рука отправилась в первую позицию, сняла обточенный валик с токарного станка, установила его на фрезерный станок, вынула из магазина очередную заготовку, "зарядила" токарный станок, затем отправилась мимо пульта управления к шлифовальному станку, уже дожидающемуся ее, сняла полностью обработанный валик, уложила его на наклонный желоб и повернулась к закалочному приспособлению…

В каждой рабочей позиции валик закреплен по-разному, на разной высоте, под разными углами, и каждый раз рука движется именно так, как требуется в том или другом случае, аккуратно берет пальцами валик за валиком, переносит их из одной позиции в другую, поворачивает и устанавливает, выходит в безопасное положение и опять движется.

Нет, конструктивно она непохожа на руку человека, и турель, на которой она укреплена, непохожа на туловище человека, и нет у этого механического создания ног, а его "голова" – пульт, откуда поступают все команды, стоит в стороне. В общем, никакого внешнего человекоподобия нет! И вместе с тем, если бы вас спросили, как, по-вашему, называется эта машина, то вы, не задумываясь, ответили бы: "Робот".

Уж очень "по-человечески", разумно она действует. По крайней мере, производит такое впечатление. Вы бы стояли около нее десятки минут, поняли бы порядок ее действия, в уме подсказывали бы, что ей нужно делать, беспокоились, как бы она рукой не задела что-нибудь по дороге, и каждый раз убеждались бы, что она все делает правильно, именно так, как сделали бы вы, если бы поменялись с ней местами. И чем больше рассказов А. Азимова, С. Лема и других фантастов, рассказов, героями которых являются роботы, вы прочли, тем уверенней назовете роботом машину, которую сейчас видели. Это естественно. Даже не будучи специалистом, интуитивно понимаете, что она, наверное, может делать не только то, что видели, но и многое другое, выполнять разные другие движения и действия, работать вместо человека, работая почти по-человечески.

Да, что по-человечески! В некоторых отношениях она больше напоминает сверхчеловека! Никакой спешки и ни одного, буквально ни одного лишнего движения! Ни на одну секунду не прекращается работа, ни для того, чтобы перекурить, передохнуть, обменяться несколькими словами с соседом, ни для того, чтобы пообедать. У нее железные нервы, и она совершенно одинаково работает в понедельник и пятницу, в начале и в конце своей обычной смены, продолжающейся 16 часов.

Стойте, смотрите, любуйтесь, не стесняйтесь! Вы здесь не одни, кругом толпа. И далеко не все здесь специалисты! А специалистами руководят при этом не одни только деловые соображения. Они, кстати, тоже любуются, получают эстетическое удовлетворение. Герои произведений инженерного искусства, созданные талантом рабочих, конструкторов, ученых, впечатляют не меньше, чем герои литературных произведений, созданных талантливыми писателями. Даже если эти герои – результат только еще "первой пробы пера".

Робототехника началась с попыток человека проникнуть туда, куда он проникнуть никак не может, – в атом, в океан, в космос. Тогда он придумал послать туда свою "копию". Но, создавая множество самых различных полуроботов, он всегда оставлял за собой функции управления. Полуроботом управляет человек – его разум. Это естественно. Атомная лаборатория, а тем более океан или космос – не те места, где легко организовать все то, с чем приходится там иметь дело, упорядочить до такого уровня, чтобы можно было уложить в строгие "логики" автомата полную программу его работы. Копирующие системы – вот один полюс робототехники, на котором все делается по-человечески.

А на другом полюсе – роботы первого поколения, бесчувственные автоматы, которые "железно" следуют наперед заданной программе, которыми управляет простая внутренняя логика, согласованная со специально организованными местом и процессом работы.

Несомненно, что между этими двумя крайними представителями робототехники должны появиться другие. Ну, например, такие, какие не нуждаются в непрерывном участии человека в их работе, умеющие автоматически работать на рабочих местах, организованных не на все 100 процентов.

Мы, конечно, понимаем, что настоящие человеческие чувства не уложишь в железную логику автомата. Но ведь логика, пусть самая железная, не обязательно должна быть самой простой. ЭВМ решают такие сложные задачи, требующие логических построений такой сложности, с какими ни один естественный интеллект не может управиться. Так разве есть основания сомневаться в том, что можно построить логику, которая бы делала примерно то же самое, что делает тот или иной механизм естественного интеллекта? Пусть такой железный интеллект делает свое дело не так, как его делает естественный. Пусть! Тем более что мы вообще еще не проникли во многие тайны естественного интеллекта и не знаем в точности, как построены и работают его механизмы.