Робототехника и ее научные проблемы

Назначение роботов и манипуляторов — воспроизводить двигательные функции биологических систем, в особенности верхних и нижних конечностей человека, когда тот выполняет те или иные рабочие и транспортные движения. Есть два пути: либо механическое устройство управляется человеком, копирует движения оператора, либо движения эти строятся искусственно, с помощью специальных автоматов. Задача, таким образом, состоит в том, что надо передать на расстояние естественные движения человека или же воспроизвести их «технически». Чтобы справиться с ней, конструктору необходимо заложить в свою модель две особенности, свойственные ее живому прототипу: высокую функциональность, то есть способность воспроизводить не два-три, а целый обширный класс движений (ибо только при этом условии можно в какой-то мере моделировать универсальность конечностей человека) и высокую избыточность, то есть большое число степеней подвижности исполнительных органов (потому что только при этом условии можно обеспечить соответствующий уровень функциональности).

Высокая функциональность и высокая избыточность — вот две главные взаимосвязанные особенности систем робототехники, которые вызывают к жизни большинство связанных с ней научных проблем.

Независимо от того, управляется ли робот вручную или автоматически, он взаимодействует с окружающей средой, в конечном счете, с помощью своих механических рук и ног. Естественно, что в робототехнике, прежде всего, возникает самая общая проблема — разработать методы анализа и синтеза исполнительных органов (то есть искусственных конечностей) роботов.

Речь идет, прежде всего, о том, чтобы развить и приспособить к потребностям робототехники традиционные методы теории машин, которые уже давно широко применяются в различных отраслях машиностроения. В этом направлении сделано довольно много. Созданы, например, методы, алгоритмы и программы, позволяющие анализировать и рассчитывать кинематику и динамику манипуляторов.

Однако до сколько-нибудь полного решения этой проблемы еще далеко. Дело в том, что руки манипуляторов представляют собой так называемые «разомкнутые кинематические цепи стержневого типа». Это значит, что длина каждого из составляющих их звеньев очень велика по сравнению с толщиной. Отсюда — невысокая жесткость системы, колебания в ней. А тут еще зазоры в подвижных сочленениях, большая протяженность гидро или пневмокоммуникаций, по которым передается мощность к звеньям кинематических цепей.

Но дело еще больше усложняется, когда речь заходит о развернутых манипуляционных устройствах. Робот должен уметь оперировать то постоянными, то переменными массами в самых различных рабочих условиях. Задача конструктора — обеспечить устойчивость робота во время движения по неровной поверхности или в те моменты, когда он выполняет рабочие операции, создать устройства, которые дозировали бы силы и моменты, генерируемые собственными источниками мощности робота, и вдобавок изучить колебательные свойства такой системы, важные как с точки зрения ее динамики и устойчивости, так и в отношении достижимой точности ее работы. Естественно, весь этот комплекс задач решить крайне трудно.

Нужны глобальные оценки, охватывающие не частные состояния системы и не отдельные движения, а все ее конфигурационное пространство, всю множественность движений, возможных в этом пространстве. Другими словами, необходимы оценки, адекватные основному свойству системы — ее высокой функциональности, ощущается острая потребность в гипотезах и идеях, на базе которых такие оценки можно было бы формировать, и критериях, позволяющих количественно выразить эти оценки.

Одна из таких глобальных оценок — так называемый метод объемов. Идея его сводится к следующему.

На рисунке вы видите робота антропоморфного, то есть человекоподобного типа. Во время работы его захват сумеет брать, класть, поворачивать, отвинчивать и завинчивать различные детали, которые могут находиться в самых различных точках рабочего пространства. В некоторых точках этого пространства захват может совершать полное сферическое движение, и тогда мы говорим, что коэффициент обслуживания манипулятора равен единице. В других точках — например, на границе рабочего объема, где все звенья манипулятора вытягиваются в прямую линию, и захват лишен возможности двигаться,— коэффициент этот равен нулю.

Для оценки «качества» «руки» манипулятора, то есть ее функциональности, можно теперь использовать величину среднего значения коэффициента обслуживания, вычисленную для всего пространства его конфигурации, или, применяя уже привившееся название, величину его сервиса.

Метод объемов нужен не только для анализа функциональности различных манипуляторов, для их сравнения между собой. Он служит в руках инженера мощным инструментом расчета роботов — позволяет определять оптимальные соотношения между длинами отдельных звеньев: плеча, предплечья и кисти. Конструктор получает возможность, варьируя эти величины, все время сверять получившийся результат с критерием функциональности.

Мы более или менее подробно охарактеризовали проблему механики двигательных органов, систем робототехники и пока ничего не сказали об управлении их движениями. В области робототехники, как в ряде других отраслей машиностроения, проблемы механики и управления так тесно переплетены, что подчас просто неразделимы. Проектируя структуру, кинематику и динамику механизмов робота, конструктор тем самым задает необходимые параметры систем управления ими, и, наоборот, расчет и проектирование устройств электро-, пневмо-, гидропривода, составляющих систему управления, в конечном счете для того и ведется, чтобы обеспечить нужную «механику» исполнительных механизмов роботов.

Сегодняшние «атомные», «глубоководные» и завтрашние «космические» роботы ведут и должны будут вести свою работу в зонах и условиях, недоступных или опасных для здоровья и самой жизни человека. А с другой стороны, эти процессы и операции в подавляющем большинстве случаев чрезвычайно сложны, они не поддаются предрасчету и жесткому программированию, для их реализации нужен человек-оператор. Эта конфликтная ситуация, возникшая около сорока лет назад, была разрешена, когда удалось создать так называемые «копирующие системы». Исполнительные руки копирующего манипулятора трудятся в опасном или недоступном для человека месте, а сам человек- оператор и органы управления располагаются в безопасной зоне.

Органы управления могут представлять собой либо механизмы, аналогичные механизмам исполнительных рук манипулятора, либо набор кнопок, рукояток, переключателей. Независимо от конструкции этих устройств их обычно называют копирующими, поскольку они либо копируют движения оператора, либо «копируют» программу управления исполнительными руками, генерируемую им с помощью кнопок, рукояток, переключателей.

Надо сказать, что функции человека по управлению машинами традиционного типа обычно ограничиваются сравнительно простыми и редкими операциями включения, переключения, в общем мало влияющими на точность и производительность работы машины. В копирующих установках робототехники дело обстоит совершенно иначе. Здесь оператор непрерывно участвует в работе машины, реализуя сложные программы управления. Пользуясь зрительной и тактильной обратными связями, он непрерывно строит и координирует движения — мелкие и размашистые, плавные и быстрые, дозирует усилия, развиваемые захватами. Оператор и манипулятор образуют при этом единую биотехническую систему, производительность и точность которой в высшей степени зависит от того, насколько хорошо согласованы входные и выходные характеристики ее отдельных частей.

В теории машин и в теории автоматического управления разрабатываются методы и средства, позволяющие оценить кинематические, динамические и точностные характеристики технической части этой системы. Что же касается ее биологической «части» — человека-оператора, то ни биомеханика, ни биофизика на современном уровне их развития не дают нам ни методов, ни сведений, ни характеристик в объеме, необходимом для решения многих задач робототехники.

Может показаться удивительным, что сегодня, в век автоматизации, «вдруг» приобретает важность ранее фактически даже не существовавшая теория ручного управления машинами. Тем не менее это факт, который наряду со многими другими фактами тесного взаимодействия человека и машины в таких системах, как экзоскелетоны, некоторые типы шагающих машин, протезные устройства, выдвигает еще одну важную научную проблему робототехники: развитие методов биомеханики применительно к изучению рабочих движений человека.

Какие задачи ставит робототехника перед биомеханикой? Главная из них состоит в следующем. Поскольку в системах робототехники и протезирования человек и машина (или человек и протезное устройство) связаны настолько тесно, что образуют как бы единую биотехническую систему, то навыки и тренированность оператора должны дать ему возможность работать в течение длительного времени с заданными точностью и производительностью. То есть «техническая часть» предъявляет к «биологической части» некие требования. Оказывается, однако, что насколько легко подобные требования сформулировать словесно, настолько же трудно выразить их количественно — оценить степень взаимосоответствия обеих частей системы.

Сейчас нам обычно приходится довольствоваться субъективными оценками типа: «легко», «трудно», «удобно», и т. д. Конечно, поскольку речь в них идет об ощущениях и восприятиях живого человека, заключения эти важны. Но они крайне недостаточны. И потому разработка предпосылок и критериев, дающих не только качественные, но и количественные оценки особенностей и свойств биотехнических систем, составляет важный раздел проблемы биомеханики рабочих движений, отвечающий интересам робототехники.

Вот всего один пример для иллюстрации сказанного. В некоторых очень ответственных случаях размеры кабины управления должны делаться предельно тесными, что, естественно, сильно ограничивает пространство движений оператора. Если руки робота строго копируют действия оператора, то получается обидная ситуация: рабочий объем исполнительных рук вынужденно ограничивается, хотя они и расположены в свободном пространстве. В Институте машиноведения был теоретически обоснован и экспериментально исследован способ управления, основанный на том, что с помощью специального устройства положения задающих и исполнительных органов манипулятора могут быть либо, как обычно, полностью согласованы между собой, либо могут быть рассогласованы.

Такой способ управления позволяет значительно расширить объем обслуживания. Но зато при том или ином рассогласовании человеческих и машинных рук простота, естественность управления в той или иной мере утрачивается. Цель исследования состояла в том, чтобы оценить возможности и качество такого способа ручного управления.

Подобно тому, как в методе объемов был введен коэффициент обслуживания, здесь появилось понятие о коэффициенте мнемоничности системы. Это величина, связывающая направление и величину отклонения руки оператора с теми движениями, что совершает при этом механическая рука манипулятора. Были разработаны алгоритмы, позволяющие рассчитать величины этого коэффициента и построить зоны и объемы для различного уровня мнемоничности. Одновременно велось экспериментальное исследование — мы стремились оценить способности оператора компенсировать введенное рассогласование и связанные с этой компенсацией потери точности и производительности.

Удалось получить ряд интересных и практически важных результатов,— например, было установлено, что без существенной потери качества управления и без увеличения размеров кабины можно значительно расширить рабочее пространство исполнительных органов. И здесь цель работы состояла в том, чтобы дать разработчикам способы и методы глобальной оценки свойств системы, но в методе объемов речь шла о свойствах только одной исполнительной руки, тут же — об оценке относительных свойств двух рук, задающей и исполнительной, двух конфигурационных пространств.

Значение биомеханики как проблемы робототехники, конечно, не исчерпывается только развитием теории и методов ручного управления. Важные разделы этой проблемы связаны с широким изучением двигательных функций и адаптационных механизмов человека и животных и соответствующей деятельности мозга, нервной и мышечной систем и органов чувств. Несомненно, что результаты такого изучения могут существенно обогатить и собственные свойства систем робототехники и систем управления ими.

В течение последнего времени быстрыми темпами разрабатываются и получают широкое применение в различных производствах автоматические манипуляторы с программным управлением (сокращенно их называют «промышленные роботы»).

Современный промробот управляется не вручную человеком-оператором, а действует по жесткой программе: предполагается, что он работает в строго определенных условиях, касающихся не только его состояния, но и «внешнего мира», с которым он взаимодействует. Можно сказать, что в «интеллектуальном» отношении такие роботы находятся пока еще на первом этапе развития; в этом смысле зачастую их называют «роботами первого поколения».

В течение ряда лет, сначала в США, затем в Японии, Англии и других странах ведутся исследования и разработки моделей и макетов роботов следующих поколений, умеющих воспринимать информацию из внешнего мира и достигать поставленной цели, руководствуясь не скрупулезно разработанной программой, а более общими указаниями о том, как двигаться, действовать в той или иной ситуации.

Цель этих работ — создать технические устройства, моделирующие, пусть в самой ограниченной, примитивной форме, поведение человека, когда тот выполняет целенаправленные движения. Эта поистине грандиозная техническая задача вызвала к жизни сразу две специфические проблемы робототехники. Одну из них мы формулируем так: разработка принципов построения, теории, средств и систем искусственного очувствления роботов.

«Набор» систем очувствления пока весьма узок; он ограничивается устройствами искусственного осязания, состоящими из матриц чувствительных элементов, и устройствами искусственного зрения, включающими телекамеру, телеприемник и сканирующую систему. Все это позволяет роботу ориентироваться лишь в неразнообразной и «неподвижной» среде и даже при этом его весьма скромные сегодня двигательные возможности опережают возможности информационные. Эта диспропорция приводит к неизбежному и существенному обеднению функциональности и снижению «динамичности» системы.

Кардинальная задача здесь состоит в том, чтобы создать устройства очувствления, которые бы снабжали робота настолько содержательной информацией и в таком темпе, чтобы между его двигательными и информационными свойствами была бы достигнута определенная гармония. Здесь опять необходимы новые идеи, новые принципы построения систем очувствления, новые технические средства, может быть, основанные на применении ультразвука, лазерной техники и т. п.

Другая специфическая проблема робототехники связана с развитием теории, методов и алгоритмов построения двигательных функций роботов. Мы формулируем ее так: разработка системы искусственного интеллекта очувствленного робота.

Сейчас уже считается общепризнанным, что эта система должна строиться как некая многоуровневая иерархическая структура, определяющая цель движения, его стратегию и тактику, принципы реализации двигательного задания и т. д. В области разработки таких систем сделано много. Однако проблема эта настолько глубока и многогранна, что мы, вероятно, еще долгое время будем находиться только на пороге ее решения.

Чтобы дать некоторые представления о подходах к решению отдельных задач, охватываемых этой проблемой, обратимся к примеру.

На рисунке условно показан исполнительный механизм робота — его рука. Это система высокой размерности, ибо обладает большим числом степеней подвижностей — возможностью вращаться «в суставах». Такая конструкция — не излишество, избыточность подобного рода, как уже говорилось, для робота — необходимость, так как только она обеспечивает ему высокую функциональность. Но избыточность несет в себе проблему: робот может одно и то же движение осуществить разными способами, и ему приходится решать, какие звенья и в каком порядке пускать в ход. Так вот, каковы бы ни были принципы построения системы искусственного интеллекта робота, какие бы задания ей ни предписывались, обязанность одного из ее иерархических уровней, а именно уровня построения движения, всегда, по существу, остается одной и той же: определять изменения координат исполнительных механизмов во времени.

Но для этого необходимо сначала сформировать общие и достаточно разумные принципы преодоления двигательной избыточности — то есть принять решение, каким из возможных путей совершить нужную операцию. Другими словами, нужно робота заранее снабдить некоторым набором «поведений» — так, чтобы он мог руководствоваться некими критериями при реализации любых движений.

В Институте машиноведения разработан метод решения этой задачи, в основу которого положено новое понятие — об объеме движения кинематической цепи. Оно представляет собой еще одну глобальную оценку свойств механической системы высокой размерности, применимую при любой ее структуре и для любого ее движения. И, что самое главное, ее можно систематически использовать для преодоления избыточности и построения движения, оптимального в том или другом отношении. Делается это следующим образом.

Пусть закон движения захвата определяется в виде последовательности точек. Теперь мы можем потребовать, например, чтобы перемещение захвата осуществлялось самым, так сказать, экономным способом, то есть требовало минимальной суммы углов поворота всех звеньев искусственной конечности. Тогда следующий уровень системы искусственного интеллекта может получить соответствующую программу управления всеми подвластными ему звеньями робота.

Преодоление собственной избыточности, своего рода «самопознание» робота — один из небольших элементов системы искусственного интеллекта. Но вместе с тем, нам придется разработать и усовершенствовать методы описания той внешней среды, в которой он предназначен действовать, и тех объектов, с которыми он манипулирует. По мере расширения функций, реализуемых роботом, модель среды становится все сложнее и насыщеннее. Поэтому все усложняются методы и алгоритмы, определяющие целесообразное поведение робота, выполняющего некоторую технологическую задачу. Как отдельные разделы проблемы искусственного интеллекта роботов возникают и требуют разработки теории адаптации, обучения и планирования поведения роботов в различных средах. Естественно ожидать появления новых языковых средств управления роботом.

Наконец, для интеллекта робота нужны методы, алгоритмы и системы переработки информации, собираемой искусственными органами чувств: в информационных и управляющих каналах робототехнической системы, как в нервной сети ее живого прототипа, циркулируют потоки информации, объем и содержательность которых все возрастает по мере того, как мы повышаем свои требования к «квалификации» робота.

Внутренняя конструкция сооружений, зданий, жилых домов приспособлена для передвижения шаганием. Лестницы и пороги, узкие коридоры с крутыми поворотами и бесконечными узкими дверьми вдоль них, цеха и конторы, заполненные оборудованием и мебелью, так же мало годны для передвижения качением, как плохо проходима для колесных экипажей любая местность, едва вы попытаетесь съехать с шоссе. И потому как только мы осознаем, что роботы действительно должны получить широкое применение, сразу станет понятна важность проблемы, связанной с развитием теории и принципов построения опорно-двигательных аппаратов шагающего типа.

Ученые упорно и плодотворно работают в этом направлении. Сделано немало для того, чтобы научиться проектировать движители шагающего типа, уметь моделировать автономное поведение шагающего робота, преодолевающего препятствия на пересеченной местности. Результатов этих исследований ждут и создатели протезов и лечебных аппаратов нижних конечностей, необходимость в которых, как это ни печально, остается весьма насущной. Вот почему проблема перемещения, основанного на принципах шагания, — а может быть, и на использовании других принципов, уже известных в живой природе,— имеет самостоятельное значение.

Возраст робототехники исчисляют обычно с начала сороковых годов прошлого века — с момента, когда были созданы первые копирующие манипуляторы. Они явились, так сказать, технологической базой робототехники. Но к тому же времени относится другая, несомненно, более важная веха — создание ЭЦВМ – первого компьютера, ибо современная робототехника немыслима без применения вычислительной техники и, по существу, базируется на ней.

Информационные процессы, направляющие двигательную активность человека, настолько содержательны и протекают с такими скоростями, что с большим запасом перекрывают его физические возможности. Только при этом условии человек может жить, работать, вовремя ориентироваться, принимать решения, строить движения, преодолевать препятствия. Попытки моделировать эти процессы хотя бы в самом грубом, первом приближении могут быть успешны только в том случае, если соблюсти в модели хоть в какой-то мере ту гармонию между информационными двигательными возможностями, которая является необходимым условием существования живого прототипа. В этом — цель и содержание одной из важных проблем робототехники, проблемы организации вычислительных процессов при функционировании роботов.

Мы попытались кратко характеризовать несколько важнейших научных проблем робототехники. Решение их сопряжено с большими затратами, требует труда большого числа ученых, научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций…

Авторы: И. Артоболевский, А. Кобринский.