Текст книги "Занимательная анатомия роботов"

Автор книги: Вадим Мацкевич

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 9 страниц) [доступный отрывок для чтения: 4 страниц]

Роботы – объекты повышенной опасности

Робот – помощник человека, но слепо доверяться ему нельзя (рис. 8). Те промышленные роботы, которые сейчас трудятся на заводах и фабриках, пока ещё недостаточно сообразительны. Представим, что на линии сборки автомобилей случается какой – нибудь «перекос». Автоматы этой ошибки не замечают. Их настроили на то, чтобы сверлить отверстия в дверце, а они сверлят теперь в баке для горючего. Неправильная установка изделия их не волнует. Кроме того, иногда в их электронном блоке происходит какой – нибудь сбой, и тогда автомат в «слепой ярости» начинает колотить своей мощной стальной лапой по чему попало (так случилось недавно в Японии, когда роботом был убит рабочий).

Робот, скажем, как и автомобиль или самолёт, является объектом повышенной опасности. Поэтому для большей гарантии безопасности человека, взаимодействующего с роботом, желательно, чтобы в программу поведения робота была заложена определённая осмотрительность, забота о безопасности человека.

Говоря о взаимодействии человека и робота, уместно вспомнить о трёх законах системы «человек – робот», сформулированных американским писателем – фантастом и учёным А. Азимовым:

1. Робот не должен своим действием или бездействием причинять вред человеку.

2. Робот должен повиноваться командам, которые ему даёт человек, кроме тех случаев, когда эти команды противоречат первому закону.

3. Робот должен заботиться о своей безопасности, поскольку это не противоречит первому и второму законам.

Рис. 8 Робот объект повышенной опасности

Эти законы, по мысли Азимова, должны полностью гарантировать безопасность четовека в системе «человек – робот». Создать роботов, для которых эти законы были бы непреложны, наша задача.

Роботы для Мегамира

Казалось бы, куда уж дальше, но есть совершенно безграничная область для фантазии роботостроителей – мегамир. В наше время, когда человечество планомерно осваивает ближайшую соседку Земли – Луну, фантасты устремились к звёздам. В одной нашей Галактике больше сотни миллиардов солнц, не исключено, что у многих есть планеты. Из всех космических грёз самая распространённая и самая заманчивая – мечта о встрече с братьями по разуму, с иными цивилизациями, желательно, с более развитыми, способными передать нам секреты ещё не сделанных открытий. Однако даже в Солнечной системе нет планеты, где человек остался бы в живых, сняв скафандр.

Исследования мегамира связаны со сверхдальними космическими полётами. Для таких полётов потребуется время, превышающее длительность человеческой жизни. Спрашивается: есть у человека способ исследовать мегамир? Да, имеется. Это создание кибернетической системы – робота, управляемого искусственным интеллектом и рассчитанного на длительное функционирование в мегамире. Такой робот может достичь самых дальних районов Вселенной.

Неизвестность сред, в которых придётся функционировать системе, непредвиденность и сложность конкретных задач, которые придётся ей решать, исключают возможность построения системы управления робота с заданным алгоритмом, сколь бы широкий круг задач в нём не был предусмотрен. Управлять системой можно будет, только моделируя творческое мышление человека. Система должна быть саморазвивающейся, причём это касается и саморазвития искусственного интеллекта (рис. 9). Искусственный интеллект должен уметь решать такие частные, но важные проблемы, как формирование языка, распознавание образов, построение гипотез, выбор критериев успеха, самообучение.

Подобно человеку, автономная система робота – астронавта с искусственным интеллектом не сможет моделировать реальный мир, если не пройдёт обучения такому моделированию в известных человечеству средах и если переход от известных сред к неизвестным не будет для этой системы постепенным.

Проблема создания автономно функционирующего робота – астронавта, управляемого искусственным интеллектом и предназначенного для сбора полезной человечеству информации в мегамире, сегодня стоит на рубеже научных исследований дальнего поиска.

Рис. 9. Структурная схема системы искусственного интел гекта робота для мегамира

Что же нам делать?

Роботизация. Роботы и робото-технические системы. Это все очень серьёзно. Именно поэтому мы начали книгу со всестороннего обзора основных проблем роботизации.

В последующих разделах мы перейдём к вопросам моделирования различных систем роботов, будем думать, как изготовить ту или иную систему или даже целого робота.

Каждый может внести свой вклад в эту важнейшую государственную проблему. Вы сами видите, как велико здесь поле деятельности и как интересна любая задача.

На занятиях кружка радиоэлектроники автор этой книги задал ребятам вопрос: если бы мы с вами занялись конструированием человекоподобного робота, то какими электронными системами вы бы его оснастили? И вот пятеро мальчиков ответили, что кроме общепринятых систем зрения, слуха, осязания они бы оснастили робота следующими устройствами:

1. Аварийной системой, останавливающей все механизмы робота при появлении тревожного возгласа «Аи»! или «Ой»!

2. Системой «веди меня» – если робота взять за руку и потянуть, он пойдёт за вами.

3. Системой различения команд, подаваемых голосом: «Иди», «Стой», «Здравствуй», реагирующей на звучание букв «и», «о», «а», отличающихся своими частотами.

4. Системой поворачивания головы робота на появившийся звуковой сигнал.

5. Системой «кивок» – робот доброжелательно кивает, когда с ним кончают говорить.

6. Системой движения губ робота и изменения свечения ламп во рту робота в такт с его речью.

7. Инфракрасными локаторами, предохраняющими робота от столкновения с препятствием.

8. Системой, обеспечивающей физкультурную зарядку робота – цикл различных движений по определённой программе.

9. Системой «настроение робота», изменяющей активность его движений, издающей «смех», когда он доволен, и «унылое ворчание» – когда недоволен.

10. Игрой в «крестики и нолики» на груди – экране робота.

11. Системой танца робота от низкочастотного ритма или различного сочетания музыкальных тонов.

12. Кроме игры в «крестики и нолики» на груди робота можно установить бегущие огни, загорающиеся в такт с музыкой.

Ребята тут же набросали структурные схемы предлагаемых ими систем робота и даже позаботились о микроэлектронном выполнении всех предлагаемых устройств. Они, конечно, фантазёры, эти ребята, но если задуматься, то среди их предложений – экспромтов есть кое – что любопытное и, возможно, полезное и для самых настоящих промышленных роботов.

Разве не заслуживает внимания «аварийная система», останавливающая робота при возгласах «Ой» и «Аи». Ведь современный робот – манипулятор – это далеко не безопасный объект. А физзарядка робота по определённой программе – в ней тоже есть рациональное зерно. Такую зарядку есть смысл проделывать и настоящим роботам в порядке контроля жизнедеятельности и чёткости работы всех его систем перед тем, как приступить к настоящей работе. Это как бы встроенная система контроля роботоспособности всех систем робота.

Разве это не интересно! Вы чувствуете, какое поле деятельности открывается перед каждым, кто заинтересуется, а ещё лучше – увлечётся проблемой роботизации.

Итак, переходим к главной части нашей книги – моделированию различных робототехнических систем и пожелаем читателям больших творческих успехов в этой интереснейшей и важной области деятельности.

2. Бионика и кибернетика – теоретические основы роботостроения

Бионика – стержень робототехники

Если роботы первою поколения, похожие на бесчувственные часовые механизмы, известны человечеству с давних времён, то роботы второго и третьего поколений смогли появиться лишь в XX веке, вслед за выдающимися достижениями современной науки и техники. Своим существованием они обязаны бионике и кибернетике. Эти науки создали научный фундамент для построения мыслящих машин высших поколений.

Необходимость приспособления (адаптации) роботов к изменяющимся условиям внешней среды потребовала разработки для них органов чувств, аналогичных человеческим: слуха, зрения, осязания. Здесь конструкторы вынуждены были обратиться за консультацией к природе, создавшей у живых существ самые разнообразные органы чувств.

Цель бионики (так называется эта сравнительно новая наука) – перенесение в технику принципов действия систем, управляющих живыми организмами.

За время развития жизни на Земле в процессе естественного отбора природа создала массу замечательных образцов живых «инженерных систем». Многие изобретения природы заимствовались людьми для создания конструкций ещё в древности. Так, древние арабские врачи, изучая глаз человека, создали линзы – подобие хрусталика глаза. Великий русский учёный Н. Е. Жуковский, исследовав полет птиц, разработал теорию подъёмной силы крыла и современную аэродинамику. Таких примеров – множество.

Учёным – бионикам принадлежит идея использования биоэлектрических сигналов мышц для управления. С давних времён люди искали способы вернуть руку тем, кто её лишился. И это удалось сделать нашим советским учёным. Они использовали биотоки мышц. Известно, что, когда человек двигает рукой или ногой, в его мышцах возникают биотоки. Появляющиеся в мышцах биопотенциалы можно снять с помощью электродов и усилить. Первую модель искусственной руки, управляемой биопотенциалами, изготовили в СССР в 1957 году. В 1960 году в Москве на Конгрессе по автоматическому управлению 15 – летний мальчик, у которого не было кисти руки, взял протезом кусок мела и написал на доске ясно и чётко: «Привет участникам Конгресса!». Протезом его кисти управляли биотоки мышц.

Искусственная рука, созданная советскими учёными, вернула к труду уже сотни людей как в СССР, так и за рубежом. Глава английских медиков доктор Р. Джонс сказал: «Русские достигли огромного прогресса в электронной физиологии». Приобрела лицензию на советскую биоэлектрическую руку и Канада. Писатель Дж. Олдридж назвал это изобретение уроком гуманизма, который оставит глубокий след во многих сердцах.

Итак, несмотря на слабость биотоков, усилитель мышечной энергии можно наделить богатырской силой.

Проблема «человек–машина»

С возникновением машин, облегчивших человеческий труд, перед бионикой появилась проблема взаимоотношений человека и машины.

Здесь выявилось очень много интересного. Так, было установлено, что во многих производственных процессах (например, при управлении автомобилем или самолётом) полная замена человека автоматическим устройством либо невыгодна, либо невозможна. Следовательно, встаёт проблема оптимального распределения обязанностей между человеком и машиной. Интересно сравнить характеристики человека и технических устройств, в частности сопоставить эффективность их работы в различных условиях.

В процессе биологической эволюции физиологическая и психологическая конституция человека приспособилась к условиям земного существования. Довольно узкий диапазон изменения температуры и давления воздуха и постоянство его состава, земное притяжение и лучевая энергия, падающая на поверхность Земли, – вот характеристики окружающей среды, в которой проходит жизнь человека. Выход в космос насильственно ставит человека в совершенно новую, непривычную среду. Это может привести к временным или даже необратимым нарушениям в организме человека.

Человек не выдерживает сравнения с автоматом и по чувствительности к воздействию радиоактивного облучения. А радиационная устойчивость электронных систем в десятки раз выше допустимой для человека дозы облучения. Исключительно чувствителен человек и к воздействию ускорений и колебаний температуры. Однако не только это создаёт трудности при конструировании пилотируемых космических кораблей. Следует учитывать и такие проблемы, как обеспечение возможности дыхания и питания человека в космическом корабле, а также удаления продуктов обмена, контроль за мышечной деятельностью и действием системы кровообращения в условиях невесомости и, наконец, психологическую подготовку экипажа к полёту в космос. Следует иметь в виду также, что человек подвержен усталости и его работоспособность временами значительно понижается, в то время как автоматы способны работать надёжно длительный срок.

Что такое кибернетика?

Итак, робот с помощью своих органов чувств получил информацию о внешней среде: он увидел, услышал, почувствовал… Теперь нужно реагировать на полученные сигналы: протянуть руку, взять нужную деталь, с большой точностью установить её на место, закрепить винтами и т. д. Как все это выполнить «по – человечески» – плавно, без лишней суеты, рывков? Ответ на этот вопрос даёт кибернетика. Кибернетика неотделима от бионики. Говорят даже, что кибернетика родилась «под знаком робота».

В самой краткой формулировке кибернетика – это наука об общих законах управления в живых и неживых системах. О кибернетике каждый из вас немало слышал, а может быть, и читал. Сейчас всякий школьник знает, что такое электронная вычислительная машина, луноход и робот. Всё это – кибернетические машины. Удивительное и кибернетика – рядом. Трудно даже поверить во все её чудеса.

Наверное, каждому из вас хотелось бы поближе познакомиться с кибернетикой, чтобы в школьном кружке или дома с товарищами построить ту или иную кибернетическую модель. Разве не интересно сконструировать своего кибернетического пёсика или небольшую электронную вычислительную машину? Найдутся и такие ребята, которых больше интересует теория: любопытно узнать, какой «алгеброй» пользуются вычислительные машины или как подсчитать количество информации в прочитанной книге?..

3. Моделирование – экспериментальная основа роботостроения

Пытаться конструировать радиоэлектронные системы роботов, не представляя хорошо их теории и физических основ, – это значит работать с очень низким коэффициентом полезного действия. Создать какую – либо систему робота, не понимая её сути, невозможно. Работа должна строиться на прочной основе теоретических знаний – только тогда конструктор с каждой новой разработкой будет расширять диапазон своих знаний и переходить к новым рубежам творчества.

Партией и правительством перед народом Советского Союза поставлена важнейшая задача – всемерное ускорение научно – технического прогресса. Это относится не только ко взрослым, но и к школьникам. Перед юными техниками стоит задача: в короткие сроки освоить элементы теории радиоэлектроники, микросхемотехники и робототехники. Всё это – новейшие сложные области техники, без их знания немыслим современный знающий инженер, техник и зачастую даже квалифицированный рабочий. Но если изучать их старыми методами – только по книгам, – то без определённой системы достичь чего – либо существенного будет трудно. Как же быть?

Учёные утверждают, что лучшим способом освоения теории является эксперимент. С каких же экспериментов лучше всего начинать?

К примеру, в этом вам может помочь серийно выпускаемый промышленностью конструктор «Радиокубики». Если на монтаж с помощью пайки и наладку громкоговорящего приёмника у ребят уходит иногда до двух – трёх месяцев, то для сборки такого же приёмника из магнитных радиокубиков нужно всего три – пять минут. Три минуты вместо трёх месяцев! Вот вам и пример ускорения научно – технического прогресса.

Пользуясь радиокубиками, вы изучите теоретические основы радиоэлектроники, ознакомитесь с различными радиодеталями, их назначением и свойствами.

Затем можно будет последовательно переходить к следующим конструкторам, выпускаемым промышленностью: модульному для сборки сложных радиоэлектронных систем из простейших типовых узлов – модулей; для изучения логических основ построения ЭВМ и знакомства с микросхемотехникой; для сборки и исследования основных каналов ЭВМ.

Обо всех этих конструкторах мы ещё расскажем, а пока ответим на вопрос: что же это такое – моделирование и как оно применяется в практике современного технического конструирования?

Модель и моделирование

Современные научно – технические исследования и промышленное строительство ведутся с огромным размахом, и на них затрачивается много средств (вспомним хотя бы о космических исследованиях). Поэтому ошибки или просчёты могут привести к бесполезной грате материально – технических и людских ресурсов. Этого можно избежать, если предварительно изучить процессы и явления, протекающие в реальном объекте, с помощью модели. В технике моделью называют уменьшенное или упрощённое подобие интересующего нас объекта, для которого характерны процессы, сходные с процессами, происходящими в этом реальном объекте. Изучение свойств модели даёт ориентировочное представление о свойствах и возможностях объекта.

В качестве моделей иногда применяют устройства, имеющие физическую природу, отличную от природы оригинала.

Недаром В. И. Ленин в своей работе «Материализм и эмпириокритицизм» писал: «Единство природы обнаруживается в „поразительной аналогичности“ дифференциальных уравнений, относящихся к разным областям явлений» [В. И. Ленин. Полн. собр. соч. Т. 18. С. 306.].

Существуют аналогии между законами, выражающими различные физические явления. Например, аналогичны закон Ома для электрического тока, закон Фурье для теплового потока и закон Дарси для скорости фильтрации жидкости через пористую среду. На основе метода аналогии и создают модель. В ней известные процессы, все параметры которых легко поддаются измерению, описываются той же системой уравнений, что и изучаемые процессы в оригинале.

Современные любительские конструкции роботов содержат множество сложных радиоэлектронных систем, предварительную отработку которых также целесообразно проводить на моделях. В качестве технического средства моделирования различных систем роботов можно рекомендовать радиокубики. Мы уже их упоминали, а теперь расскажем о них подробнее.

Даже в сравнительно простых имитаторах речи автоматов («электронные сирены» и др.) или «речи» животных (пение птиц, лай собаки и др.), содержащих сотню и более деталей, требуемое подобие сигналов схемы естественной «речи» животных или машин можно получать, меняя параметры трёх – пяти различных деталей. Вот тут – то и приходят на помощь радиокубики. Они позволяют быстро и весьма наглядно решать основные задачи радиоэлектроники – от сборки простейшего детекторного приёмника до различных импульсных устройств и элементов электронных вычислительных машин. Для любителей – роботостроителей такие кубики очень удобны. Они есть в продаже, но их можно сделать и самостоятельно. Из кубиков собирают самые различные устройства – от простейшего детекторного приёмника до громкоговорящего приёмника или даже модели нейронов мозга.

Моделирование радиоэлектронных устройств из радиокубиков

Радиокубики – это небольшие пластмассовые коробки, в которые вмонтированы различные радиодетали и магниты, притягивающие кубики один к другому и соединяющие их в единое работающее устройство (рис. 10). На каждом кубике изображено условное обозначение содержащихся в нём деталей. Имея набор таких кубиков, можно в считанные минуты собрать из них самые различные устройства. Их собирают на металлической пластине, являющейся одновременно общим проводом устройства. Источником питания служат батарея «Крона», или две батареи 3336, или сетевой блок.

Рис. 10. Набор радиокубиков

В конструкции радиокубиков применён минимум деталей. На боковых сторонах кубиков установлены контактные пластины из нейзильбера, к которым изнутри кубиков припаяны проводники или радиодетали. За контактными пластинами расположены ферритовые магниты.

Изучение электроники на кубиках начинают с простейших электрических устройств. На этом этапе знакомятся с назначением различных радиодеталей, RC – цепями, транзисторами и их свойствами. Затем можно перейти к освоению мультивибратора, триггера и логического элемента.

Собрав устройство по схеме на рис. 11, можно познакомиться с основными свойствами транзистора – главного элемента современной электроники. Управляюший электрод транзистора – база. Давайте посмотрим, как слабый ток базы ib влияет на мощный коллекторный ток ik. Включим в базовую цепь высокоомный телефон ВА1, а лампу HLl – в цепь коллектора. Нажмём на кнопку SB1 и прикоснёмся несколько раз к выводу базы транзистора выводом телефона. При этом мы замыкаем цепь базы – загорается лампа, и в телефоне слышен щелчок. Транзистор в момент касания открывается и проводит ток. Когда цепь базы оборвана (ток базы равен нулю), лампа не горит, значит, нет и тока коллектора – транзистор закрыт.

Рис. 11. Изучаем свойство транзистора

Рис. 12. Эксперимент с гальваническим элементом

Если в цепь базы вместо телефона включить резистор сопротивлением 10 кОм, смонтированный в угловом кубике, можно наглядно проиллюстрировать работу транзистора как электронного выключателя. Когда цепь базы замкнута, транзистор открыт и коллекторный ток зажигает лампу. При разомкнутой базовой цепи транзистор закрыт и лампа не горит. Продолжаем изучать свойства транзистора. На этот раз мы увидим, как самодельный гальванический элемент зажигает лампу (рис. 12).

Соедините с общим проводом небольшую пластину из латуни, на неё положите клочок бумажной салфетки, смоченный уксусом. Поверх салфетки поместите небольшую пластину из алюминиевой фольги от конфеты. Получился химический источник тока G1, в котором латунь служит положительным полюсом, а фольга – отрицательным. Разумеется, напряжение и ток этого элемента настолько малы, что никакая лампа от него не загорится. Но он способен управлять транзистором – усилителем постоянного тока. Наш элемент обеспечит базовый ток, а транзистор коллекторным током зажжёт лампу, которая будет получать питание от источника коллекторного тока GB1.

Вот как это произойдёт. Нажмите на кнопку SB1 и выводом базы транзистора дотроньтесь до фольги – отрицательного полюса элемента G1 – лампа зажжётся. Таким образом, с помощью транзистора даже слабому элементу удалось зажечь лампу.

Рис. 13. Радиоприёмник из кубиков

И в заключение – простейший радиоприёмник. Для сборки радиоприёмника (рис. 13) понадобится колебательный контур – конденсатор С2 и катушка L1. Каркас катушки склеивают из бумаги на отрезке круглого стержня длиной 40…45 мм и диаметром 8 мм из феррита 400НН или 600НН. Чтобы приёмник мог принимать радиостанции средневолнового диапазона, намотайте на каркас 80 витков эмалированного провода диаметром 0,15…0,18 мм.