РОБОТ
— сложная система, уснащенная датчиками, воспринимающими информацию об окружающей среде, исполнительными механизмами, воздействующими на объекты окружающей среды, способная целенаправленно вести себя в изменяющейся обстановке. От других систем, предназначенных для обработки поступающей извне информации и получения управляющих воздействий (напр., систем автомат, управления технологическим процессом, систем автопилотирования и т. п.), Р. отличают антропоморфизм — способность воспринимать от окружающей среды те же сигналы, что и человек, и выполнять при помощи исполнительных механизмов сложные движения. Способность Р. адаптироваться, решать сложные и разнообразные задачи без изменения в структуре системы позволяют считать его многоцелевой системой. При создании Р. преследуется цель не копировать человека, а создать систему, способную лучше человека осуществлять некоторые сложные операции. Р. может быть сильнее человека, быстрее выполнять определенные операции, его использование может быть экономически более эффективным. Кроме того, Р. может работать в условиях, вредных или недоступных для человека.
Термин «Р.» впервые появился в 1920 (так назвал искусственные человекоподобные существа чеш. писатель К. Чапек). После этого Р. стали называть различные устр-ва и автомат, игрушки (см. Игрушки кибернетические), имевшие отдаленное внеш. сходство с человеком. Лишь развитие кибернетики (в 60 гг.) позволило поставить задачу создания Р., как сложных систем обработки информации, способных целенаправленно взаимодействовать с окружающей средой.
В Р. можно выделить 3 осн. блока (рис. 1) — блок восприятия, блок исполнительного механизма и блок управления.
Блок восприятия состоит из датчиков, воспринимающих сигналы о состоянии внеш. среды, и системы обработки полученной информации. Датчики преобразуют сигналы внеш. среды, воспринимаемые обычно человеком как зрительные, слуховые, тактильные и т. п., в сигналы той или иной физ. природы (напр., электр.). Применяют также датчики для восприятия сигналов, не воспринимаемых непосредственно органами чувств человека, напр., электромагнитные волны определенной длины, атмосферное давление и т. п. Обработка воспринимаемых сигналов заключается в построении такого описания состояния внеш. среды, которое мог бы использовать блок управления для принятия решений. Принципы действия датчиков и методы обработки воспринимаемых ими сигналов определяются физ. природой этих сигналов. Наиболее простыми являются тактильные датчики, дающие сигнал при непосредственном соприкосновении с окружающими объектами. Эти датчики чаще всего выполняют в виде двухпозиционных переключателей, разрывающих либо замыкающих электрическую цепь под влиянием механических воздействий.
Наиболее сложными и информативными являются датчики зрительной информации. Чаще всего это телекамеры, оборудованные устр-вом автомат, наводки на резкость и механизмами поворота и наклона камеры. Наводка на резкость осуществляется по сигналам автомат, дальномеров, позволяющих измерять расстояние до исследуемого объекта. Видеосигнал, полученный на выходе телекамеры, преобразуется в дискретный сигнал путем пространственной дискретизации изображения и квантования значений яркости полученных элементов изображения. В зависимости от назначения число элементов разложения может быть от тысяч до десятков тысяч. Высокое разрешение используют при распознавании объектов, низкое — при необходимости определения наличия каких-либо объектов в поле зрения Р. Предусматривается иногда возможность автоматически изменять параметры дискретизации изображений и позволять блоку восприятия Р. организовать целенаправленную обработку воспринимаемой информации в зависимости от решаемой задачи восприятия.
Задача обработки воспринимаемой зрительной информации сводится, гл. обр., к задаче автомат, распознавания изображений объемных тел, определения их размеров и местоположения, т. е. к составлению описания окружающей среды. Возможность автомат, определения местоположения исполнительного механизма Р. по его изображению можно использовать для организации управления исполнительными
механизмами с использованием «зрительной» обратной связи. Очевидно, что успех в решении задачи обработки зрительной информации в значительной мере определяется совр. состоянием теории и практики распознавания образов. Решаются задачи распознавания изображений различных многогранников, произвольно расположенных в поле зрения Р. Сужение круга распознаваемых изображений объясняется не столько практическими целями, сколько сложностью задачи распознавания объемных тел случайной формы.
(рис. см. скан)
1. Блок-схема робота.
2. Конструкция подвижной части робота: 1 — антенна радиосвязи с ЭВМ; 2 — дальномер; 3 — телевизионная камера; 4 — блок управления телевизионной камерой; 5 — бортовая ЭВМ; 6 — тактильные датчики; 7 — ведущее колесо; 8 - поворотное колесо; 9 — мотор привода; 10 — аккумулятор.
В основном используют эвристические методы выделения ребер, вершин и граней многогранников и составления описания объектов в виде упорядоченного списка выделенных элементов, в котором указаны связи между ними. Можно также использовать дополнительную информацию об объектах, которую можно получить путем стереоскопического восприятия изображений, разделения объектов по окраске и т. п. Специфика решения задачи распознавания применительно к Р. заключается также в возможности использовать вспомогательные данные, получаемые за счет мобильности Р., т. е. возможности перемещать датчики восприятия по отношению к распознаваемым объектам и манипулировать этими объектами. Использование звуковых сигналов для управления Р. ограничивается подачей команд Р. голосом, для чего применяют разнообразные алгоритмы автомат, распознавания ограниченного набора слов. Алгоритмы автомат, синтеза речевых сигналов можно использовать для обращения Р. к человеку.
Блок исполнительного механизма содержит средства манипулирования объектами и средства перемещения Р., необходимые для достижения поставленной цели. Манипуляторы позволяют Р. выполнять различные операции по перемещению и переориентации объектов с обходом возможных препятствий на пути перемещения. Для того, чтобы манипулятор мог захватить объект, находящийся в любом месте и при любой ориентации, он должен обладать не менее, чем семью степенями свобод» (тремя — для изменения положения, тремя — для изменения ориентации захвата и одной — для сжатия захвата). Манипуляторы являются сложными многозвенными механизмами. Задачу автомат, управления звеньями манипулятора надо было бы решать как задачу оптим. в некотором смысле изменения состояний звеньев, обеспечивающего перемещение, переориентацию захвата и захват объекта с заданными координатами. В качестве критерия оптимизации можно использовать минимум расходуемой энергии, минимум времени перемещения захвата и т. п. Точное решение задачи управления манипулятором получается весьма громоздким. В то же время управление должно производиться в реальном масштабе времени. Все это приводит к разработке и использованию различных эвристических методов управления манипулятором, обеспечивающих приемлемую скорость и точность перемещения. Способы конструктивного исполнения манипуляторов определяются их назначением. Часто используют манипуляторы с электрогидравлическим приводом, характеризующиеся значительным диапазоном изменения грузоподъемности (от килограммов до десятков тонн). Находят применение электромех. и пневматические приводы.
Другой разновидностью исполнительных механизмов Р. являются средства для его перемещения. Для перемещения по твердой почве разрабатывают колесные, гусеничные и стопоходящие механизмы; для подводных Р. разрабатывают средства для перемещения как в воде, так и по дну. Передвижение с помощью колес с независимыми приводами было, напр., осуществлено на сов. автомат, станции «Луноход-1». Работы по созданию стопоходящих механизмов (педипуляторов) пока не вышли за рамки исследований. Такие устр-ва, благодаря высокой маневренности и малой площади соприкосновения с почвой, пригодны для перемещения по местности, труднопроходимой или вообще непроходимой для колесных и гусеничных транспортных средств. Управление педипуляторами сходно с управлением манипуляторами, что при условии неодновременной работы этих механизмов повышает эффективность использования аппаратуры блока управления.
Блок управления осуществляет целенаправленное поведение Р. в реальной
окружающей обстановке. Входной информацией блока является: информация, поступающая от человека, информация о состоянии внеш. среды, поступающая от блока восприятия, и сигналы обратной связи, поступающие от блока исполнительного механизма. Для переработки информации используют универсальные ЭЦВМ. Матем. обеспечение блока управления имеет иерархическую структуру. На высшем уровне выполняется анализ задач, стоящих перед Р. На следующих уровнях составляются стратегические и оперативно-тактические планы достижения цели. На нижнем уровне решается задача управления блоками восприятия и исполнительного механизма.
В блоке управления строятся модель внеш. среды и модель самого Р., которые используются на всех уровнях системы управления. Модель внеш. среды строится на основании априорной информации о свойствах среды и законах ее организации, поступающей от человека, и информации о текущем состоянии среды (описание положения и формы элементов внеш. мира), поступающей из блока восприятия и блока исполнительного механизма. В задачу блока управления входит уточнение и обобщение модели путем выявления в процессе работы принципов организации и функционирования внеш. среды. Модель самого Р. содержит сведения о структуре Р., о взаимодействии отдельных его частей и позволяет в каждый момент времени определять расположение, ориентацию и состояние датчиков восприятия и взаимное расположение звеньев исполнительного механизма.
Наличие моделей внеш. среды и самого Р. позволяет блоку управления предсказать результаты выполнения разрабатываемых планов достижения цели путем моделирования математического без выполнения мех. перемещений. Это дает возможность выбрать наиболее приемлемый план с точки зрения времени его реализации, расхода энергии и т. п. При решении задачи планирования поведения Р. возникает необходимость в построении общих методов анализа ситуаций и принйтия решений (в противном случае пришлось бы заняться практически невыполнимым делом: предусмотреть все возможные ситуации и указать правила поведения Р. в каждой из них). Для управления Р. пытаются приспособить аппарат автомат, доказательства теорем, развиваемый в работах по созданию искусственного мышления. Примером может служить система STRIPS, предложенная в США, в Стенфордском исследовательском ин-те, в которой модель внешней среды задается некоторым мн-вом аксиом — формул исчисления предикатов первого порядка.
Принципиальная сложность в разработке общих методов управления Р. заключается в трудности сократить перебор возможных путей достижения цели. При использовании аппарата автомат, доказательства теорем (см. Доказательство теорем на ЦВМ) в схеме весьма велико к-во исходных аксиом. Это в свою очередь резко увеличивает к-во перебираемых вариантов. В системе STRIPS для ограничения перебора надеются использовать то, что почти всегда применение отдельного оператора изменяет только часть модели внеш. среды, оставляя другую неизменной. Пока система может работать только при сравнительно простых моделях внеш. среды.
Через блок управления осуществляется также общение Р. с человеком-оператором. От оператора в систему поступают задания, необходимая информация, вопросы. Системой выдаются сведения о выполнении задания, ответы на вопросы, запросы на дополнительную информацию, сообщения о невозможности выполнения и т. п. Для человека наиболее удобен обмен информацией на привычном ему языке. В Стенфордском ин-те, напр., для общения с Р. создана программа перевода фраз (с ограниченным набором слов) с англ. языка на язык исчисления предикатов первого порядка и программа обратного перевода.
Задача создания Р. выдвинула перед исследователями ряд проблем в области создания матем. обеспечения и новых тех. средств. Нерешенных проблем пока еще значительно больше, чем решенных. Уровень «интеллектуальности» созданных Р. довольно низок. Напр., Р., созданный в Массачусетском технологическом ин-те (США), способен собирать в коробку кубики определенных размеров либо определенного цвета и строить башни из расположенных в произвольном порядке кубиков, пирамид и параллелепипедов. При этом координаты этих тел не сообщаются Р.: он должен самостоятельно обнаружить их среди множества других тел. Р. Стенфордского ин-та не оснащен манипуляторами (рис. 2), он перемещает предметы, подталкивая их. Р. может найти тело указанной ему формы и переместить его в заданную позицию. Если при этом ему встретится препятствие («ступенька»), которое можно преодолеть с помощью трапа, Р. находит трап, подталкивает его к препятствию и взбирается по трапу к обнаруженному объекту. Находить объекты, расположенные в зоне действия манипулятора, и собирать их в коробку способен Р., созданный в Ленинградском политехническом ин-те. Существует довольно много проектов и макетов Р., однако уровень их «интеллектуальности» таков, что для распознавания ими сложных объектов и ситуаций и для принятия решений требуется участие человека-оператора.
Включение человека в контур управления Р. позволяет уже сейчас использовать Р. в различных сферах человеческой деятельности, таких как комплексная автоматизация производственных процессов, космические и глубоководные исследования. Тем самым осуществляется переход от телеуправляемых исполнительных механизмов к более сложным системам, в которых управление исполнительными механизмами передается бортовым вычисл. машинам, чем достигается определенная степень автономности управления Р. Разновидностью таких систем являются роботы промышленные.
Лит.: Кулешов B. C., Лакота Н. А. Динамика систем управления манипуляторами. М.. 1971 {библиогр. с. 298—302]; Человеческие способности машин. М,. 1971; КобринскийА. Е. Вот они роботы. М., 1972; Интегральные роботы. Пер. с англ. М., 1973; Pitrat J. Les robots. «Automatisme», 1969, v. 14, M 11 - 12.
В. И. Рыбак.
