Генетико-прогностическое описание СОД 2 страница

Принципиальный вопрос – по какому пути идти робототехнике – в сторону повышения универсальности роботов или, наоборот, их специализации разрешился признанием в качестве основного модульного принципа их построения. Этот принцип позволяет промышленности оперативно поставлять даже в единичных количествах роботы, собранные из хорошо отработанных унифицированных модулей, для выполнения самых разнообразных технологических операций. Таким образом, заманчивая идея создания сравнительно небольшого семейства универсальных роботов, такая близкая их прототипу – человеку, была заменена идеей универсального набора компонентов роботов – модулей.

Сегодня роботы применяются практически во всех сферах человеческой деятельности, а уровень робототехники является важным показателем научно- технического, промышленного и оборонного потенциалов каждой страны.

Вторая указанная выше фундаментальная цель робототехники – это экспериментальное изучение и воспроизведение феномена разумного поведения живых существ. В дальнейшем эта проблема развилась в самостоятельное научно-техническое направление, получившее название «искусственный интеллект». То, что эта проблематика наиболее остро встала именно в робототехнике, вытекает из самой ее исходной сущности, как альтернативы занятого физическим трудом человека. Первый же опыт создания таких машин показал недостаточность, и даже примитивность современной теории и техники автоматического управления и теории информации по сравнению с задачами, решаемыми человеком при выполнении даже самых простых манипуляционных операций.

В связи с этим были развернуты интенсивные экспериментальные исследования с объектами типа «глаз-рука» и различными очувствленными мобильными объектами – тележками, которые продолжаются и сегодня. В последнее время к ним добавились исследования группового поведения подобных объектов (мультиагентные системы, игры роботов и т.п.).

Это направление в робототехнике непосредственно соответствует основной идее кибернетики об общности информационно-управляющих процессов в технике и в живом мире. Одна из конечных целей этого направления в робототехнике – воспроизведение процесса эволюции живой природы, поскольку именно робот является технической системой, которая реализует триаду «сенсоры – мозг – активаторы (эффекторы)», замкнутую в кольцо через внешнюю среду. Именно на базе роботов представляется возможным реализовать и исследовать известный тезис «рука создала человека». Конечным научно-техническим результатом этих исследований должны стать принципы и методика самоусовершенствования интеллектуальных технических систем типа робот. Это позволит спустить курок эволюционного совершенствования роботов, пределом которого, разумеется, не будут интеллектуальные способности человека. Конечно, это эмпирика, но она даст результат, гарантированный опытом развития живой природы. Ведь ее эволюционное развитие – это тоже эмпирика, метод проб и ошибок.

Однако решить эту проблему в рамках одной робототехники нереально. Здесь необходимо скоординированное взаимодействие со многими смежными научно-техническими направлениями, хотя бы потому, что для этого требуется создание принципиально нового материально-технического обеспечения не только для информационно-управляющих систем (технические нейроподобные структуры и т.д.), но и для остальных компонентов названной выше триады – исполнительных систем и сенсоров.

Подобно тому как робототехника явилась одной из побудительных причин и полигоном развития работ по проблеме искусственного интеллекта, она же инициировала проблему «искусственной мышцы», как проблему создания принципиально новых приводных исполнительных систем с по крайней мере на порядок лучшими массо-габаритными характеристиками, чем у таких систем, основанных на современных электрических, гидравлических и пневматических приводах. Последние именно более чем на порядок уступают по указанным характеристикам поперечно-полосатым мышцам животных. Речь идет о принципиально новом подходе к построению приводов, так же заимствованном у живой природы и основанном на параллельно-последовательной работе сотен и тысяч элементарных микроактиваторов. Аналогичная проблема перехода к микромодульному построению стоит и перед сенсорными системами. Успешное решение этих проблем будет иметь революционизирующее значение не только для робототехники, но и для всего машиностроения.

Что касается собственно робототехники, то, как отмечено выше, прикладная робототехника в своем развитии практически быстро исчерпала научный задел, который был предоставлен ей, прежде всего теорией автоматического управления и информатикой, а также технический задел в виде приводов и систем ЧПУ, заимствованный у станкостроителей. И сегодня ее дальнейший прогресс почти целиком зависит от успехов в решении перечисленных ранее фундаментальных проблем. Так сомкнулись первоначально почти не связанные два направления развития робототехники – прикладное и фундаментальное.

В начале своего развития робототехника пережила период романтизма, период «бурь и натиска», когда казалось, что еще немного и мы «схватим бога за бороду» – наступит «роботовладельческий» строй. На смену порожденных кибернетикой споров о том может ли машина мыслить и превзойти в этом человека, разогрелись дискуссии об опасностях, которые могут принести роботы, вплоть до их бунта против человека. Затем наступили зрелость и прозрение: определился целый комплекс серьезнейших научно-технических проблем, которые стоят на пути к царству роботов. Основные из них были названы выше и, как следует из изложенного, генеральное направление дальнейшего развития робототехники – это прежде всего комплексная миниатюризация компонентов и интеллектуализация в виде распределенного интеллекта, пронизывающего все системы роботов от сенсорики до приводов и даже до конструктивных материалов и «кожи» роботов (интеллектуальные материалы) и искусственные мышцы.

Обе эти проблемы соответствуют общим тенденциям развития техники в целом, которые тесно взаимосвязаны, можно сказать, как форма и содержание. Само понятие интеллектуализации (искусственного интеллекта) могло возникнуть и приобрести реальный смысл только на определенном этапе развития миниатюризации прежде всего в вычислительной технике.

Проблема интеллектуализации возникла, прежде всего, именно в робототехнике, поскольку это соответствовало исходной идее робота.

Процесс миниатюризации изначально был связан с процессом повышения точности и разрешающей способности создаваемых изделий. Именно последнее является основанием для создания все более и более малоразмерных изделий.

Рис. 4.1 иллюстрирует сказанное применительно к автоматике и робототехнике. Здесь показано совместное развитие двух названных тенденций в виде сменяющих друг друга S-образных зависимостей эволюционного развития миниатюризации определенных типов техники, а справа дано развитие интеллектуализации как параметра исходной трехмерной временной зависимости.

Процесс миниатюризации, ее первый этап, связан с механикой и порожден, как сказано, развитием технологий, повышающих точность изготовления деталей. Начался он с производства замков (слесарь – от немецкого слова schlosser – замок, затвор и его же изготовитель. Кстати, и в английском языке слово слесарь – locksmith от того же корня «замок» – lock). Затем вышли в лидеры часовщики. Именно они создали первые механические изделия счетно-решающей (вычислительной) техники – арифмометры, интеграторы и т. п. В 1950-е гг. механические интеграторы сменили электромеханические (в составе первых электромеханических вычислительных машин).

Рис. 4.1. Развитие технических систем (автоматы и роботы)

Второй этап миниатюризации начался на базе двухмерных (2D) технологий микроэлектроники, сопряженной уже с интеллектуализацией. Символ этого этапа – многослойные платы печатного монтажа. В них достигнута уже субмикронная точность.

На рубеже XXI столетия, как известно, начался третий этап миниатюризации на базе 3D микросистемных технологий. Это уже не электроника, а (Трехмерная электромеханика– микроэлектромеханические системы (МЭМС).

Каждый из перечисленных этапов не сменял предыдущий, а «надстраивал» над ним новый уровень. Так, ЗD-технологии развились на базе 2D-технологий и добавили механику движений, но с микронным разрешением. Впереди нас ожидает уже исследуемый этап нанотехнологий с молекулярной разрешающей способностью и использование органики – симбиоз живого и техники (биокомпьютеры и т. п.). После этого очевидно, наступит последний физически возможный этап миниатюризации на атомном уровне.

Рассмотренный процесс помимо возможности создания все более малоразмерных мини-, микро- и наносистем создает техническую базу для разработки нового поколения и крупномасштабных объектов вплоть до тяжелого машиностроения, наделенных принципиально новыми, в том числе интеллектуальными функциональными возможностями и техническими характеристиками.

Интеллектуализация как процесс совершенствования информационно-управляющих возможностей техники также прошла 3 этапа: программное управление, адаптивное управление и, наконец, на базе микроэлектронной техники и технологий искусственного интеллекта (ИИ) возникло интеллектуальное управление. При этом искусственный интеллект постепенно охватил все функции технических систем помимо управления. Как и в процессе миниатюризации здесь каждый последующий этап не заменял предыдущий, а поглощал его: адаптивное управление образует следующий уровень управления над программным, а интеллектуальное включает и программное управление, и адаптацию. Дальнейшее развитие искусственного интеллекта– коллективный интеллект (как у людей), а затем и превышение интеллекта естественного. Следующий качественно новый этап – искусственный разум, воспроизводящий наряду с интеллектом творческие способности (креативность) человека. Разумеется, имеется в виду узко специализированный профессиональный интеллект и разум. (Например, уже не вызывает сомнений, что скоро компьютеры переиграют самых сильных шахматистов.)

Рассматриваемый процесс миниатюризации и интеллектуализации техники начинается прежде всего с ее основных компонентов – три замкнутых в кольцо через внешнюю среду, – сенсорные, информационно-управляющие и исполнительные– компонента, затем связь и энергопитание (рис. 4.2). В общем случае их совокупность образует открытую систему, информационно и энергетически зависимую от окружающей среды, включая и другую подобную технику. (В том числе в недалеком будущем – в виде коллективов роботов.)

Рис. 4.2. Функциональный состав автоматических систем

В основе миниатюризации этих компонентов, как уже сказано, – повышение точности изготовления деталей (рис. 4.3). Сегодня в этом процессе, по-прежнему, лидирует вычислительная техника на базе микроэлектроники: прежде всего информационно-управляющие компоненты, а за ними с определенным отставанием следует сенсорика и связь. Их общая база – 2D-микротехнологии. Начавшийся качественный переход к 3D-микротехнологиям особенно важен для сенсорики, а еще более для силовых компонентов– исполнительных и энергопитания. Общесистемное развитие пока сдерживают последние. Здесь происходит возврат к проблеме миниатюризации механики движений. Пока эти компоненты все еще продолжают эволюционировать на идеях прошлых веков. Но общая тенденция очевидна: технологическое сближение всех компонентов и их конструктивное объединение в мехатронные системы.

Рис. 4.3. Развитие компонентов технических систем

Подобно тому, как микроэлектроника, начавшись с отдельных транзисторов, диодов и других элементов, перешла к объединению их во все более крупные интегральные схемы в виде чипов, эволюция МЭМС так же развивается в направлении создания все более крупных технических систем, объединяющих все рассмотренные ранее функциональные компоненты в единый мехатронный конструктив.

Дальнейшая миниатюризация ведет к переходу на новый наноуровень молекулярной размерности и соответственно к аналогичному укрупнению интегральных наноэлектромеханических систем – НЭМС.

В заключение приведенного исторического обзора отметим некоторые актуальные задачи по созданию перечисленных ранее компонентов нового поколения робототехнических устройств.

Для сенсорных систем первоочередная задача – комплексирование сенсорных систем различного типа (СТЗ, УЗ, ИК, УФ, радиотехнические и лазерные дальномеры и т. д.). Необходимо также развитие химических сенсоров, что, в частности, важно для поиска взрывчатки, наркотиков, и более специальных – интроскопических.

Для информационно-управляющих компонентов наряду с дальнейшим развитием формализуемых символьных технологий искусственного интеллекта предстоит приступить к решению проблемы создания методов работы с образной информацией и творчества (интуиции).

Для связи применительно к робототехнике одна из важных проблем – вязь «оператор-робот». В нее входят задачи:

3D-виртуальные обобщенные сцены внешней среды;

эффект присутствия;

неконтактные способы управления (с отказом от джойстиков как основного средства) через 3D-картины внешней среды, включая управление голосом, световыми метками и т. п.

К силовым компонентам (исполнительным и энергопитания) в отличие других компонентов предъявляются другие основные требования – КПД и удельные массо-габаритные параметры. Эти компоненты в своем эволюционном развитии давно уже пришли к насыщению. Во всем мире дет поиск на базе 3D-технологий принципиально новых решений типа искусственных мышц и т. п.

Проведенный анализ общих закономерностей развития техники подтверждает, что рассмотренные основные направления развития робототехники – миниатюризация и интеллектуализация – соответствуют общим тенденциям в целом и, следовательно, будут реализовываться в тесном взаимодействии со всеми необходимыми для этого отраслями техники.

В заключение перечислим основные области применения робототехники, где в первую очередь будут реализовываться достижения в решении рассмотренных научно-технических проблем.

Робототехника наземного и воздушного базирования. Сюда относятся создание автоводителей и автопилотов, решение проблемы «человеческого фактора» в человеко-машинных системах, робототехнические системы для действий в экстремальных условиях, в том числе для вооруженных сил и других силовых структур, групповое применение роботов, в том числе в конфликтных ситуациях, и создание следующих интеллектуальных поколений таких роботов, ориентированных на автономное функционирование. Особенно большие перспективы связаны при этом с микроробототехникой. Летающие, плавающие ползающие и т. п. микророботы произведут качественные изменения во многих важнейших сферах человеческой деятельности.

Био- и медицинская робототехника. С ней связана как проблематика заимствования бионических решений, так и обратный процесс внедрения робототехники в живые организмы. Начало последнему положило протезирование конечностей, затем усиление физических возможностей человека для функционирования в экстремальных условиях (активные скафандры, биоуправляемые шагающие машины и т. п.). Наконец, появились новые поколения интеллектуальных протезов и экзоскелетонов, роботы-сиделки, робототехнические системы для реабилитации инвалидов, массажисты и т. п. Однако прежде всего – это новые области применения робототехники, такие как хирургия, в том числе дистанционная, микророботы для внутрисосудистой и внутриполостной диагностики и хирургии.

Космическая робототехника. Сегодня это важнейшая часть очередного этапа развития космонавтики. К ней относится, прежде всего, освоение дальнего космоса, ближайших планет и Луны. Космическая робототехника открывает перспективы создания принципиально новых космических объектов и систем, в том числе и в околоземном пространстве, включая наноспутники, монтажно-сборочные и регламентные работы на орбите и т. п.

Подводная робототехника. Наряду с космосом это второе направление «экспансии» человечества, в котором решающую роль должна играть робототехника нового поколения. Если человек-амфибия – это фантастика, то роботы-амфибии – это уже реальность. Достаточно напомнить их работу по обследованию затонувших кораблей, использование подводных роботов-геологов. А, ведь, это, по существу, еще только предыстория подводной робототехники.

В настоящее время еще нет ни лунных, ни других космических баз, обслуживаемых саморемонтирующимися роботами, нет и подобных подводных сооружений. Однако если сегодня основное направление развития современного машинного производства – это создание безлюдных комплексно-роботизированных предприятий, то тем более это должно относиться к освоению космоса и глубин океана.

Среди перечисленных перспективных областей применения робототехники не названа промышленная робототехника. Объясняется это тем, что, хотя в обозримом будущем основной мировой парк роботов по-прежнему будут составлять промышленные роботы, не этот уже сложившийся раздел робототехники будет определять ее развитие в рассмотренных ранее направлениях.

Как уже отмечалось, для решения рассмотренных ранее проблем необходима консолидация робототехники со смежными научно-техническими направлениями. И в этой связи назрела потребность в анализе сложившейся системы таких направлений, которые так или иначе тоже порождены идеями кибернетики и соответственно близки робототехнике. Основой такой консолидации может стать названная выше триада «сенсорика-процессор-активатор». Она появилась в технике вместе с первыми автоматами древности, затем составила основу теории автоматического управления и кибернетики, а в последние годы начинает пронизывать буквально все направления научно-технического прогресса, начиная с материаловедения (интеллектуальные материалы) и кончая компьютерно-сетевыми технологиями (мультиагентные системы).

Другим важным принципом для указанной консолидации может стать и системный подход к реализации названной триады, заключающийся в отказе при создании технических систем от разделения их на объект управления и управляющую систему. Перспективность такого подхода для робототехники и особенно для микроробототехники очевидна и он прогрессивно внедряется, в частности, в ходе интеллектуализации роботов. Этот принцип, основанный на использовании общесистемных критериев, начал применяться в технике давно, еще при создании первых статически неустойчивых объектов, например, в электроэнергетике («искусственная устойчивость»), в авиации. В частности, он лежит в основе мехатроники, которая тоже входит в родственные робототехнике научно-технические направления и наиболее близка ей.

В этой связи остановимся на связях робототехники и мехатроники. Формально они уже объединены в соответствующие научное и учебное направления хотя, строго говоря, они определяются по разным квалификационным признакам. Робототехника определена по функциональному назначению, а мехатроника – по физическому составу. Однако, действительно, мехатроника и робототехника имеют много общего и довольно тесно взаимосвязаны. Многие компоненты средств робототехники можно отнести к мехатронным. В свою очередь мехатронные устройства в наиболее развитом виде реализуют как и робототехнические системы, упомянутую триаду «сенсорика-процессоры-активаторы». Из этого следует, что мехатроника должна иметь много общего с робототехникой в принципах построения и методах проектирования. К ним прежде всего относятся модульный принцип построения и упомянутый ранее системный подход к проектированию

Мехатроника как новое научно-техническое направление возникла в результате органического слияния электромеханики и микроэлектроники в виде прежде всего автоматических технических объектов и систем. (Аналогичным образом в свое время возникла электромеханика в результате интеграции механики и электротехники.)

Мехатроника возникла как самостоятельное научно-техническое направление благодаря наличию таких объектов нового типа, которые требуют системного подхода, охватывающего его механику и микроэлектронику. В этой связи в соответствии с рассмотренной ранее общей тенденцией развития техники одним из основных направлений мехатроники в ближайшие годы станет создание микроэлектромеханических систем (МЭМС). К ним, в частности, относятся некоторые типы гироскопов, аксельрометров и других микроэлектромеханических сенсорных систем, микроэлектромашины. Поэтому одним из направлений робототехники, наиболее тесно связанным с мехатроникой, является, прежде всего, микроробототехника.

1.8. Устройство управления роботов

Устройство управления робота осуществляет автоматическое управление его исполнительными системами – манипуляционными и передвижения, образуя в совокупности с ними как объектами управления систему автоматического управления робота. Кроме того, часто устройство управления роботов используют и для управления различными другими объектами (технологическим оборудованием, транспортными устройствами и т. п.), которые работают совместно с роботом, образуя с ним единый технологический комплекс.

Как уже было отмечено, по способу управления различают следующие системы управления роботов и соответствующие устройства управления:

программные, в которых управление осуществляется по заранее составленной и остающейся неизменной в процессе реализации управляющей программы;

адаптивные, в которых управление осуществляется в функции от информации о текущем состоянии внешней среды и самого робота, получаемой в процессе управления от сенсорных устройств;

интеллектуальные, в которых адаптивные свойства развиты до уровня интеллектуальной деятельности.

Устройства управления могут быть индивидуальными, входящими в состав каждого робота, и групповыми, управляющими несколькими роботами. Конструктивно индивидуальные устройства управления выполняют обычно 4 отдельно от механической части робота, либо, значительно реже, в общем корпусе, а у мобильных роботов обычно такое устройство состоит из 2 частей – бортовой и входящей в состав пульта оператора (или в дополнение к нему).

Подавляющее большинство роботов имеет электронные устройства управления, выполненные на микропроцессорной базе. Однако существуют и неэлектрические устройства управления роботов, чаще всего реализуемые на пневмонике и предназначенные для применения в особых взрыво- и жароопасных условиях.

Дата добавления: 2014-12-29