Но ведь такой ситуации производственники всячески избегают. Зачем смешивать то, что потом придется сортировать? Задача "узнавания" детали тоже не слишком актуальна. На производстве всегда можно ввести в систему управления робота полные сведения о геометрии деталей, которые ему поданы, ведь и рабочему вместе с заготовками дается чертеж. Правда, есть разновидность этих задач, имеющая практический смысл, - определение положения известной детали", - говорит ведущий конструктор ЭНИМС С. Житомирский.
Если форма детали известна заранее, то ее положение можно проанализировать, употребив некоторые искусственные приемы, которые позволяют обходиться более простыми алгоритмами.
Вот, например, как подошли к решению такой задачи специалисты французской фирмы "Акма": для экспериментов были выбраны заготовки деталей подвески автомобиля - отливки сложной формы. Опыты показали, что на плоскости любая такая деталь может лежать только пятью разными способами, причем каждое положение, будучи отображенным на телеэкране, занимает разную площадь. Таким образом, получив изображение тела, по размеру его площади ЭВМ сразу "узнавала" расположение детали. Дополнительные расчеты давали достаточную информацию для того, чтобы робот мог захватить и сориентировать деталь.
Да, робот второго поколения обладает несомненно более сильным интеллектом. В чем же он проявляется?
Во-первых, в том, что робот выполняет функции, заложенные в нем при "рождении", в очень широком диапазоне условий, не снижая точности и качества работы.
Во-вторых, он всегда, при всех условиях действует в наиболее выгодных оптимальных режимах.
Рассмотрим пример из области сварки. Рабочий сваривает любые изделия из материала различной толщины, изменяя режим сварки и выбирая электроды на глазок. Опытный сварщик делает это мастерски, хотя и медленно; менее опытный может ошибаться, следствием чего явится брак. Робот первого поколения, действующий по "жесткой" программе, производит сварку намного быстрее человека, но он не меняет режимов работы.
Если толщина пришедшей к нему детали немного изменилась, он, не обладая соответствующими чувствительными элементами, просто "не знает" этого. Следовательно, быстрота операций возрастает, но с качеством дело обстоит хуже: если допуск на поступающие изделия очень широк, то доля брака может даже увеличиться.
Робот-сварщик второго поколения с помощью специальных устройств "осматривает" деталь, оценивает изменения ее внешних параметров, затем автоматически настраивается на такой режим работы, который обеспечивает наивысшее качество сварки.
Другой робот, имеющий специальность контролера, проверяет работу "сварщика". От такого объединения роботов в комплексе получается значительный выигрыш.
"Узкие места" технологического процесса довольно часто проявляются при воздействии сильных помех. Например, при изменении напряжения в сети может резко ухудшиться качество - в результате появится брак. Роботы второго поколения должны "парировать" подобные помехи. Но для этого они должны быть снабжены датчиками, сигнализирующими о тех или иных отклонениях, и логическими устройствами, обрабатывающими полученную информацию и изменяющими режим работы.
Есть еще один источник брака и даже остановки технологического процесса - отказы в системах. Сложная система, в которой произошел отказ, может взбунтоваться, стать опасной, угрожать аварией или даже катастрофой, как в известной ситуации, описанной К. Чапеком.
Снизить опасность отказов позволяет дублирование: параллельное подключение резервных систем, переключение на которые осуществляют специальные логические устройства, обнаруживающие отказы. Впрочем, эти устройства также надо защищать от отказов...
В ОКБ технической кибернетики Ленинградского политехнического института с 1968 года ведутся работы по созданию и исследованию процессов управления очувствленными роботами. Для изучения процесса роботизированной сборки используется образец робота со схватом, оснащенным ультразвуковыми датчиками. Это упрощенное ультразвуковое "зрение" позволяет роботу увидеть детали на рабочем столе, автоматически навести схват на деталь, центрировать схват относительно детали для ее точного взятия, определить тип детали по ее характеристическому размеру, правильно ориентировать схват относительно поверхности сборочного стола и базовой оси сборки.
Вот в процессе работы робот обнаружил очередную группу деталей на рабочем столе. Он ловко берет ближайшую из них, "узнает" ее тип по размеру сомкнутого схвата, устанавливает деталь на собираемый узел или откладывает в промежуточный накопитель, чтобы сразу же взять ее, когда она потребуется по программе сборки. Необходимая для работы информация: последовательность сборки, эталоны размеров детали, координаты "жестких" точек рабочей зоны задаются и фиксируются с помощью потенциометров. Образец этого робота предназначен для исследования процессов функционирования простых, легко перепрограммируемых сборочных автоматов.
Популярность электронно-механических роботов второго поколения растет с каждым годом. Чтобы быстрее приспосабливать их к разным операциям, их собирают из стандартных модулей, снабжая широким набором универсальных приспособлений. Оригинальную конструкцию для радиоэлектронной промышленности предложили инженеры фирмы "Сормель" (Франция). Восемь встроенных головок различного назначения, подключение и взаимодействие которых определяется заложенной в компьютер программой, позволяют собирать изделия из деталей, размер которых измеряется миллиметрами, а вес - долями грамма.
Роботы второго поколения, оснащенные столь мощным набором сенсорных датчиков и соответствующим компьютером, значительно превосходят по своим возможностям роботов первого поколения: они могут работать с неориентированными деталями произвольной формы, осуществлять сборочные и монтажные операции, собирать информацию о неизвестной и меняющейся среде. Однако, несмотря на это, они, вообще говоря, не должны заменить роботов первого поколения во всех сферах их приложения. Оба поколения роботов взаимно дополняют друг друга, выполняют действия различной сложности при различной степени информированности о внешней среде. Их совокупность представляет собой весьма гибкую систему, позволяющую автоматизировать подавляющее большинство ручных операций в сфере производства.
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ - ПОСОХ СЛЕПОГО
Прикоснувшись к горячему предмету, мы автоматически отдергиваем руку. Действительно ли ее отдергиваем мы? Точнее было бы сказать, что рука отдергивается сама, не дожидаясь нашей команды, "автоматически". Этот простой пример показывает и объясняет тот факт, что большинство "очувствленных" задач может быть решено при весьма скромном интеллекте. Вместе с тем гамма роботов второго поколения весьма расплывчата: с одной стороны - это любой манипулятор, имеющий мало-мальски простой датчик и использующий его в процессе функционирования для адаптации к изменяющейся обстановке; с другой стороны, сама адаптация - это настолько разветвленный и сложный процесс, что границы адаптивной способности у робота просто нет, своей адаптационной осью робот второго поколения заходит уже в сферу жизни третьего. Но здесь мы будем все еще говорить о втором поколении роботов, а именно о принципах их управления.
Управление очувствленным роботом базируется на идее обратной связи. Это фундаментальнейшая идея кибернетики. Управление роботом первого поколения можно охарактеризовать как прямую связь: робот воздействует на объект манипулирования. Благодаря наличию чувств роботу второго поколения доступна и обратная связь: объект манипулирования "воздействует" на робота. Закон управления очувствленным роботом является функцией текущего состояния робота и состояния внешней среды. Для решения задачи управления очувствленным роботом уже невозможно ограничиться только запоминающим и программирующим устройством, как в роботах первого поколения. Система управления очувствленного робота должна решать новый класс задач: обработку и анализ информации, поступающей от искусственных органов чувств, и управление исполнительными приводами с учетом этой информации, использованием принципов обратной связи. Описанная схема управления с обратной связью напоминает открытую И. Павловым схему формирования условных рефлексов у животных. Такое единство живого и неживого организмов - одна из фундаментальных аксиом кибернетики. Часть сенсорных сигналов о внешней среде, поступающих через органы чувств в "мозг" робота, можно считать аналогичными безусловным раздражителям по терминологии И. Павлова. Это, например, сигналы о наличии детали, с которой должен "общаться" робот.
Другая часть сигналов - "условные раздражители", например определенные звуковые, зрительные или другие информационные сигналы.
В результате обучения робота (а заметим, что очувствленный робот рождается не со знанием, а лишь со способностью учиться, опираясь на свои органы чувств) определенному сочетанию безусловных и условных раздражителей ставится в соответствие некоторая реакция.
Таким образом складываются внутренние рефлекторные связи "ситуации реакции". Они играют роль, именно играют роль, а не являются на самом деле, представлений робота о внешнем мире и о своих собственных возможностях взаимодействия с ним.
Обучение робота, то есть формирование совокупности связей "ситуации реакции", производится человеком. Под текущей ситуацией понимается значение совокупности сигналов, сформированных сенсорной системой. Класс ситуаций характеризуется тем свойством, что любая ситуация из одного и того же класса обусловливает одну и ту же реакцию (из класса необходимых реакций). Такая правильно выбранная реакция называется адекватной данной ситуации. Структура и функционирование системы управления очувствленным роботом имеет три эшелона.
Верхний - распознавание и анализ ситуации. От того, к какому классу принадлежит ситуация, зависит планирование реакций, которую робот "мыслит" как достаточно адекватную.
Второй эшелон управления получает на вход значение желаемой реакции и формирует соответствующее программное движение, строит план - желаемый закон изменения координат исполнительных механизмов с учетом возможных препятствий и ограничений.
И, наконец, третий обеспечивает осуществление выбранного движения.
Рассмотренная структура управления "ситуации - реакции" позволяет очувствленному роботу гибко приспосабливать свое поведение к складывающейся, порой резко меняющейся обстановке. Может создаться впечатление, что с помощью совокупности связей "ситуации - реакции" можно организовать любое, сколь угодно сложное целенаправленное поведение робота. Достаточно лишь вложить в память управляющей системы побольше таких связей.
К сожалению, такая концепция слишком оптимистична. Произвольное число "реактивных" связей позволяет совершать лишь те действия, для которых с самого начала были предусмотрены условные или безусловные раздражители. Формирование сложных действий в ответ на сложные сенсорные ситуации представляет собой самостоятельную, сложную проблему.
Для большинства интеллектуальных задач, для которых невозможно заранее сформировать однозначные алгоритмы их решений, невозможно и задать реализуюющие этот алгоритм наборы связей "ситуации - реакции".
ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ
РОБОТЫ - ИНТЕЛЛЕКТУАЛЫ
Я МЫСЛЮ - СЛЕДОВАТЕЛЬНО, Я СУЩЕСТВУЮ
Интеллектуальный робот третьего поколения - своеобразное кибернетическое "живое" существо, разумеется, если понимать этот термин достаточно широко. Рассмотрим основные органы этого существа.
Оно наделено рецепторами - разнообразными датчиками внешней и внутренней информации: зрением, слухом, осязанием, обонянием. Кроме рецепторов, оно имеет эффекторы - средства воздействия на окружаюшую среду. Это мышцы, или сервомоторы, приводящие в действие разнообразные конечности: руки, ноги, хобот, щупальца и т. д.
Главным в таком организме является достаточно развитый мозг, роль которого играет центральный компьютер. Компьютер, кроме всего прочего, имеет непосредственную связь с человеком - оператором. Самое главное, что такой робот обладает вполне целесообразным поведением; по крайней мере, он не глупее обезьяны. Этот организм и есть истинный робот, какую бы физическую форму он ни имел.
Чтобы отличать его от всех других роботов, с которыми мы до сих пор встречались на страницах этой книги, мы будем называть его "кибер", ибо породившая его наука - кибернетика - как раз и постулирует факт универсального единства живого и неживого целенаправленного поведения. Недаром один из создателей интеллектуальных роботов писал: "Робот - это функциональное описание системы, которая до недавнего времени могла быть получена лишь в результате роста живых клеток, а теперь начинает становиться чем-то, что мы можем сами изготовлять".
Кибер способен понимать человеческий язык, на котором ведет диалог с оператором, он сам формируете своем "сознании" довольно подробную модель внешней среды - реальной обстановки, в которой ему приходится "жить". Он может анализировать сложившуюся ситуацию, планировать свои действия для достижения поставленной оператором общей цели, намечать желаемые движения и реализовывать их в условиях неполной информации и быстро меняющейся ситуации.
Стоит заметить, что мы еще далеки от того, чтобы охватить человеческое мышление во всей его глубине.
Тем не менее некоторые исследователи пытаются создать некий "микромир", который вычислительная машина все-таки могла бы понимать.
Вот, например, робот, созданный Д. Уиногрэдом в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Он пытается целиком и полностью освоить игру в кубики: их расстановку и перемещение, геометрические конструкции - в той мере, в какой это знакомо ребенку. Эта машина способна самостоятельно передвигаться и брать определенные предметы. Она "видит" и анализирует увиденное. Она повинуется командам и отвечает на вопросы на человеческом языке. И что всего важнее, автомат способен к "пониманию".
Рассмотрим пример взаимопонимания этого робота и человека, взятый из книги Б. Бирюкова и М. Гутчина "Машина и творчество".
Человек. Подними большой красный блок.
Робот. Хорошо (прежде чем поднять красный блок, машине приходится его освободить: найти место для зеленого блока, лежащего на красном, и перенести его).
Человек. Схвати пирамиду.
Робот. Я не знаю, какую пирамиду вы имеете в виду (так как имеются три пирамиды, робот ничего не делает).
Человек. Найди блок, который выше, чем тот, который ты держишь, и поставь его в ящик.
Робот. Хорошо ("рука" робота опускает красный блок и, поднимая высокий голубой блок, ставит его в ящик).
Человек. Что находится в ящике?