Автор: А. К. ПЛАТОНОВ

Мечта человека о замене своего сложного труда машинным восходит к давним временам. Примеры тому - ирригационные и храмовые устройства Древнего Египта, водяные мельницы и часовые механизмы средневековья, паровые машины и ткацкие станки эпохи промышленной революции (30 - 50-е годы XIХв.). В начале XX в. появились двигатели внутреннего сгорания, в годы Второй мировой войны - автопилоты и приборы наведения зенитной артиллерии, затем первые станки с числовым программным управлением, системы управления ракетной и космической техникой.

стр. 27

Доктор физико-математических наук А. К. ПЛАТОНОВ, заведующий лабораторией Института прикладной математики им. М. В. Келдыша (ИПМ) РАН

Подобные чудеса механики и электроники работали в режиме автоматического регулирования - поддержания постоянства или, наоборот, изменения в нужную сторону параметров, характеризующих тот или иной процесс. Однако люди мечтали о более "умелых" помощниках, причем наделенных человеческим обликом. Заметим: их внешний вид обусловлен техническими ограничениями при поиске оптимального способа выполнения требуемой работы. Поэтому гомункулус, андроид средневековья, гуманоиды эпохи Просвещения (механические реализации человека и других живых существ) или куклы XVI- XVIII вв., пишущие гусиным пером, играющие в шахматы, музицирующие, для профессионала-робототехника не представляются разумными предложениями. Хотя с позиций универсальности применения подобных устройств механика (и биомеханика) человека эффективнее любой машины!

Слово "робот" вошло в обиход почти всех языков мира после появления зимой 1921 г. пьесы R.U.R. ("Rossum's Universal Robots") замечательного чешского драматурга и прозаика К. Чапека. На его родном языке "robota" - принудительный труд (сравним корни немецкого Arbait и русских "раб", "рабочий"). В свете этого интересно процитировать определение рассматриваемого понятия, данное знаменитым английским писателем, лауреатом Нобелевской премии 1925 г. Дж. Б. Шоу: "существо, лишенное оригинальности и инициативы, которое должно делать то, что ему прикажут". Между тем создать механизм, выполняющий все, беспрекословно, по-видимому, не реально в силу ряда технических и моральных ограничений (если только их преодоление не приведет к появлению людей-машин). Поэтому для ученых более приемлема другая формулировка, в 1971 г. предложенная академиком М. В. Келдышем: "робот - это машина, выполняющая механическую работу (причем не только доступную человеку. - А. П. ) с повышенным уровнем автоматизма".

Бурное развитие робототехники началось в середине 60-х годов XX в., что было связано с прогрессом эле-

стр. 28

ментной базы электроники: достигнутая тогда частота ЭВМ порядка 1 МГц внушала надежду на успех в задаче цифрового следящего управления электродвигателями и гидравлическими силовыми элементами. У нас в стране и за рубежом промышленность стала разрабатывать манипуляторы с простейшим режимом управления, в основе которого лежало запоминание последовательности показываемых человеком действий. Машина "умела" переходить от одного к другому и выдавать сигналы включения-выключения звеньев технологического оборудования. Руководить же ею можно было с помощью специального пульта. Такие аппараты выполняли монотонные функции по перемещению деталей в своем операционном пространстве без адаптации к не предусмотренным в нем заранее изменениям. И довольно скоро стало понятно, что они не могут заменить ни квалифицированного специалиста, ни чернорабочего.

Развернувшиеся вскоре исследования по расширению области применения подобной техники - созданию роботов-сварщиков, сборщиков и автоматов для работы на вредных или опасных производствах (рентгено-контроль деталей, снаряжение боеприпасов и др.) включали создание современных специализированных элементов их конструкций и соответствующих информационных систем. Ученые развили новые методы цифрового микропроцессорного и микропрограммного управления приводными двигателями манипуляторов с использованием математических моделей самого устройства и его окружения. Наметили подходы к преодолению неопределенностей (точнее, недоопределенностей) внешней среды и совершенствованию программно-алгоритмического обеспечения уже не отдельных машин, а робототехнических комплексов. К середине 80-х годов возникли гибкие производственные системы целых цехов и даже заводов (в том числе практически безлюдных).

Сегодня передний край использования "умных" механизмов находится уже вне промышленной сферы. Речь идет прежде всего об экстремальных средах (космос, океанские

стр. 29

глубины, пожары, вредные производства - химия, радиация, шумы, минные поля, взрывоопасные ситуации и пр.), расстояниях (в составе дистанционных систем управления объектами в дальнем космосе, машинами через Интернет) и размерах (роботизированные элементы наносистем, химические микрочипы и, наоборот, аппаратура огромных габаритов, слежение за трубопроводами, труднодоступными коммуникациями и т.д.).

Труд роботов необходим и в случае чрезвычайно обширных объемов информации или требуемого внимания - например, в составе систем распределяемого мониторинга (потоки людей и машин в транспорте городов, наземный и спутниковый мониторинг Земли и космоса). Сфера приложения "умных" машин - и недоступная человеку сложность формирования перемещения и поведения объектов (многокоординатные обрабатывающие центры в промышленности, автоматические заводы, автомобильная автоматика, новые средства научных исследований в физике, химии, астрономии, бытовая техника, бионические системы - шагающие, бегающие, прыгающие машины, машущие крыльями, змееподобные и т.д.).

Не менее важная функция роботов - возможность объективного функционирования: исключения ошибок, субъективного или преступного искажения информации. Наконец, незаменимы они при работе в течение необычайно больших или малых промежутков времени - при непрерывном мониторинге и обслуживании каких-либо объектов, принятии решений за срок, меньший быстроты реакции человека. Кстати, психологи давно изучили ограничения данного показателя на предвиденные или неожиданные обстоятельства и достижимые объемы нашего внимания. Так, инспектор дорожного движения при разборе транспортных происшествий исходит из времени реакции водителя не менее 0,2 с (суммы скорости фиксирования его мозгом ожидаемой опасности и последующего действия при развитом им навыке управления автомобилем). Ее информационную составляющую - от момента появления сигнала до начала двигательного ответа - называют временем простой реакции. Впервые эту величину измерил в 1850 г. немецкий ученый, иностранный член-корреспондент Петербургской АН ГЛ. Гельмгольц. Она зависит от многих факторов (включая настроение испытуемого), но обычно равна 100 - 200 мс - для реакции на свет (у робота - 60 мс); 120 - 150 мс - на звук и 100 - 150 мс - на электрокожный раздражитель.

Исследования показали: скорости простой двигательной реакции робота и человека соизмеримы. Зато значительно различаются объемы их внимания. Скажем, количество одновременно воспринимаемых нами предметов колеблется от трех до семи. Ограничения же машины определяются лишь числом датчиков информации и быстродействием процессора. Например, автоматика современного автомобиля одновременно учитывает более 20 сигналов. Здесь роботы сильнее людей, но, увы, пока еще недостаточно "умны и умелы". И задача ученых - сделать из них помощников для работы в тех случаях, когда человек чего-нибудь не может, не хочет, или согласен "платить за удовольствие".

Функционирование в экстремальных условиях прежде всего предполагает возможность автоматического перемещения машины в заранее неизвестной среде. Иными словами, кроме манипуляционного, нужно организовать и ее локомоционное движение, т.е. по некой поверхности. Заметим, данная задача значительно сложнее, чем в случае полета объекта - свободного парения в пространстве. Недаром самая трудная часть воздушного путешествия - момент встречи с Землей.

Первые серийно выпускаемые мобильные роботы двигались только по полу машинных залов или по автоматизированным цехам вдоль специально организованных индуктивных (или зрительных) направляющих линий. Да и сейчас, когда широко развита автомобильная автоматика, можно говорить лишь о рекордных случаях езды по ровному асфальту автострад с хорошо размеченными полосами рядов движения.

Управление подобными устройствами составляет значительную область исследований. Традиционно

стр. 30

рассматривают несколько их типов: колесные, гусеничные и шагающие. Многие из этих разновидностей роботов создали и изучали еще в 70 - 80-х годах XX в. специалисты нашего коллектива совместно с сотрудниками из Института механики МГУ им. М. В. Ломоносова, Ленинградского механического института, Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного машиностроения, Ленинградского вычислительного центра АН СССР.

Для организации функционирования "умных" машин требовалось решить ряд задач: сформировать текущие подцели движения, составить план требуемых действий в управляемых степенях подвижности, корректировать его по мере получения информации об ошибках исполнения. Поиск алгоритмов такой последовательности получил название задачи построения движений, впервые сформулированной в 1947 г. отечественным нейро- и психофизиологом, членом-корреспондентом АМН НА. Бернштейном применительно к человеку. Для робота же решают обратную кинематическую задачу - преобразование его требуемых виртуальных перемещений в реальные.

Надо сказать, что фундаментальные проблемы построения и осуществления движений рассматриваемых устройств к настоящему времени в общем плане решены (остались лишь технические вопросы управления конкретными машинами при выполнении ими определенных задач). Следующая ступень исследований - научить их действовать при априорной неопределенности операционной обстановки. При этом математикам предстоит реализовать алгоритмы многоцелевого управления машиной, принимающей решения по сигналам датчиков. То есть она должна уметь обрабатывать разнородные сигналы, позволяющие лишь косвенно (с использованием моделей теоретической механики, физики, логики и информатики) идентифи-

стр. 31

цироватъ текущие параметры операционного пространства и своего технического состояния. Правда, для реализации такого внешне "разумного" поведения робота в столь сложной ситуации ему необходима функция изменения целей и режимов движения, обеспечиваемая специальной (так называемой административной) подсистемой в составе системы управления.

Заметим: соответствующие алгоритмы могут быть достаточно сложными (возможно, игровыми и многопроходными), учитывающими предысторию возникшей ситуации и конфликт целей. На современном этапе наиболее приоритетно развитие методов и средств информационного обеспечения роботов: ведь именно богатство отражения внешней среды является мерой их "интеллекта". Самые перспективные пути создания элементов зрения машины, безусловно, дальномер и телевизионная камера. Главные же проблемы обеспечения этой функции лежат в области математических методов логического преобразования сигнальных пространств разной размерности.

Но основной вопрос - будет ли поведение автомата жалким подобием человеческого или его система управления окажется настолько сложнее окружения, что он сможет выполнять любую работу лучше нас? Другими словами, удастся ли формализовать и ввести в память роботов весь объем знаний Интернета? Например, бионический* подход помогает осмыслить пути и пределы их совершенствования. Однако высокие требования к скорости движений, точности работы и живучести в экстремальных средах диктуют поиск иных технических способов решения - путем создания проблемно-ориентированных аппаратно-программных средств: элементной базы, разнообразных (в зависимости от типа робота) алгоритмов и архитектур систем управления.

Вместе с тем вполне реально обеспечить требуемый уровень функционального богатства последних. Так, уже появились роботы с эмоциями. Первый - отечественный "Таир", созданный в 1970 г. командой хирурга и биокибернетика академика АН УССР и члена-корреспондента АМН Н. М. Амосова, последний - японский "Аибо", имитирующий поведение домашней собаки. Знаменитый медик доказывал полезность эмоций как регулятора успешного поведения машины. Если при этом остаются следы в ее долговременной памяти, то можно предполагать появление роботов с характером. Как это сделать, математикам понятно, да и соответствующая теорема уже доказана. Так что перспективы у робототехники огромные. Не случайно американский специалист в этой области Т. Бинфорд однажды сказал: "мы на 300 лет вперед знаем, что надо делать".

* Бионика изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов для создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих (прим. ред.).

Постоянный адрес данной публикации: