Знакомьтесь - роботы!

Что же касается критериев оптимальности, то и они применительно к деятельности человека могут формироваться самым различным образом. Наверное, про такие критерии оптимальности сочинена поговорка: "На вкус и на цвет товарища нет".

Кстати, чисто случайно мы знаем, какой набор пирожков выбрал мальчик, и можем объяснить, почему он его выбрал. Опыт научил его оценивать пищевые ощущения двумя критериями: сытно и вкусно; опыт и интеллект научили его понимать, что первый из этих критериев является решающим и в угоду ему надо жертвовать вторым. Проблема выбора его волновала чисто абстрактно, так, как может волновать владельца старого велосипеда нереальная мечта о новом автомобиле. Мальчик был рационалистом, он знал, что съест два пирожка с мясом, но ни старый брюзга, ни кибернетик не могли помешать ему на некоторое время стать мечтателем и заняться проблемой выбора.

Задачи оптимизации решают люди, они учат и машины решать эти задачи. Среди множества таких задач отдельное место занимают задачи оптимального управления, в том числе управления движением. Последние по понятным причинам интересуют робототехников в первую очередь. Особенность таких задач состоит в том, что время, которое отпускается для их решения, ограничено. Как правило, за пределами этого времени самое хорошее решение теряет смысл.

Первый опыт

Переходя к рассказам об опытах создания роботов уже не бесчувственных, а "очувствленных", или "интеллектуальных", или интегральных, или роботов второго и других поколений (любое из этих названий вы можете встретить в научной, технической, популярной литературе, и все они, в конечном счете, означают одно и то же), мы умышленно еще раз вернулись к механизмам и свойствам естественного интеллекта, к способам и методам, которые он использует при решении любых задач, в том числе и двигательных.

"Очувствленный" робот должен быть оснащен системой искусственного интеллекта. Только при этом условии он может полезно использовать эффект очувствления. Мы надеемся, что вы теперь сами сумеете сопоставить достигнутый в этих опытах уровень "интеллектуальности" робота с уровнем естественной интеллектуальности, сами увидите, насколько пока далеки копии от оригинала. И не будете этому удивляться, представляя себе всю сложность задач робототехники. Не будете удивляться тому, что хотя со времени первых опытов прошло уже 15–20 лет, до сих пор еще не существует тех настоящих роботов, которых, может быть, рисует ваше воображение.

В системе искусственного интеллекта нет пока места смутным понятиям и эвристическим, человеческим методам. Все действия робота подчинены железной логике и строгим алгоритмам. Это первое условие, которому должен удовлетворять железный интеллект. И второе, очевидное, условие состоит в том, что требования, предъявляемые интеллекту робота, должны быть согласованы с возможностями его системы очувствления. А теперь примеры.

Еще в 1958 году два американских математика и инженера — К. Шеннон, изучавший, в частности, "поведение" механических животных, и М. Минский, специалист в области так называемой интеллектроники, цель которой создание систем искусственного интеллекта, предложили построить автоматическую руку, взяв исполнительный механизм обычного копирующего манипулятора, очувствив его каким-либо образом и приспособив для управления им ЭВМ вместо оператора.

За реализацию этой идеи под руководством ее авторов взялся Г. Эрнст, аспирант Массачусетского технологического института. В конце 1961 года родился первый "очувствленный" робот, построенный на базе обычного копирующего манипулятора. В роботе Г. Эрнста манипулятором управляет уже не оператор, а автоматическая система. По командам ЭВМ включаются, изменяют скорость и выключаются семь двигателей, по одному для каждой из семи степеней подвижности механической руки.

Задавая эти команды, управляющая ЭВМ руководствуется не только сигналами программы, но и информацией, которую она получает непосредственно от руки, оснащенной датчиками — механическими "органами чувств", призванными хотя бы в самом скромном объеме заменить те естественные "датчики обратной связи", которые, объединяя в единую систему манипулятор с оператором, позволяли последнему наилучшим образом строить движения и дозировать усилия.

Рука Г. Эрнста оснащена двумя группами датчиков. Одну образуют датчики, установленные во всех подвижных сочленениях. Они посылают информацию о том, как выполняются сигналы, управляющие движениями руки. Это датчики внутренней обратной связи, действующей по обычной замкнутой схеме. В ней непрерывно сравниваются положения руки, которые задает управляющая машина, с положениями, которые рука занимает в действительности, и в соответствии с результатами сравнения ЭВМ непрерывно генерирует сигналы управления, устраняющие рассогласование, заставляя механическую руку занимать нужные положения и нужным образом менять их.

Вторая группа датчиков, очувствляющих руку, установлена на захвате. Именно эти датчики связывают ее с внешним миром.

Захват, как обычно, состоит из двух пальцев. Но теперь верхний, нижний и наружный торцы каждого пальца оснащены контактными датчиками, работающими в двоичном коде: включен — выключен. Эти датчики сигнализируют о том, что рука наткнулась на объект нерабочими участками. На внутреннем и передних торцах каждого пальца расположено еще по восемь датчиков. Они работают уже не в двоичном коде, а генерируют сигналы, величины которых пропорциональны силе нажатия на датчик. Шесть из них расположены на внутренних плоскостях захвата и генерируют информацию о том, какие части пальцев схватили объект и с какой силой его сжимают.

Два датчика, расположенные на передних торцах каждого из пальцев, регистрируют силу сопротивления движению захвата со стороны объекта. В случае, если рука с ним сталкивается в процессе движения, эти датчики позволяют получить информацию о протяженности и размерах этого объекта.

Таким образом, захват — его рабочие и нерабочие поверхности — снабжен подобием осязания и очувствлен по силе сжатия. Кроме того, на передних торцах пальцев между датчиками осязания помещено по "глазу" фотоэлементу, реагирующему на затенение: когда рука приближается передним торцом к какому-либо объекту, но еще не ударяется о него, ЭВМ посылает сигнал о приближающейся опасности и о необходимости снизить скорость.

Вся информация, собираемая рукой в процессе ее движения, передается в ЭВМ, где она обрабатывается и используется при реализации заданной программы, согласно которой рука должна, например, собрать рассыпанные в беспорядке кубики и сложить в коробку. Сбор кубиков для робототехники — "эталонная" задача, имеющая множество вариантов. В варианте, заданном руке Г. Эрнста, эта двигательная задача была описана следующей последовательностью сформулированных на машинном языке операций в программе, введенной в ЭВМ.

1. Рука начинает поисковые движения с целью найти коробку. Коробка выше и больше кубиков. Эти признаки должны помочь руке найти коробку, отличив ее от кубиков.

2. Найдя коробку, ЭВМ определяет ее абсолютное положение и размеры, а также положение руки, в котором она находится, отыскивая коробку. ЭВМ запоминает эту информацию, которая понадобится при складывании кубиков в коробку.

3. Затем рука отправляется на поиск кубиков. Наткнувшись на один из них, она определяет его положение и размеры, чтобы правильно ориентировать захват относительно кубика.

4. Рука схватывает кубик и несет его к месту расположения коробки: она движется до тех пор, пока не наткнется на коробку.

5. Определяется правильное расположение кубика относительно коробки, после чего кубик опускается в коробку.

6. Рука отправляется туда, где она нашла предыдущий кубик, и оттуда отправляется на поиск следующего кубика.