Основи робототехніки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основи робототехніки

Введення

Еволюція сучасного суспільства й виробництва обумовила виникнення й розвиток нового класу машин - роботів - і відповідного наукового напрямку - робототехніки. Робототехніка - науково-технічна дисципліна, що інтенсивно розвивається, вивчаючи не тільки теорію, методи розрахунку й конструювання роботів, їхніх систем і елементів, але й проблеми комплексної автоматизації виробництва й наукових досліджень із застосуванням роботів. Варто помітити, що термін "робототехніка" використовується й в іншому контексті, означаючи сукупність техніки (машин, устаткування, агрегатів і ін.), оснащеної робототехнічними пристроями або функціонуючої разом з роботами в єдиному технологічному процесі.

За всіх часів наукова й виробнича діяльність людини визначалася, з одного боку, потребою розвитку й удосконалення суспільного виробництва як бази для досягнення економічної могутності, з іншого боку - необхідністю дослідження й освоєння нових нетрадиційних просторів і сфер діяльності.

Історія наукових і науково-технічних досягнень, весь розвиток техніки є прекрасною ілюстрацією етапів цього безперервного процесу. Виникнення й розвиток роботів і робототехніки - яскравий приклад реалізації суспільної потреби в корінному підвищенні ефективності виробництва, освоєнні нових просторів і сфер діяльності.

Одним з вирішальних факторів прискореного руху в економіці стає інтенсифікація промислового виробництва, основою якого на сучасному етапі науково-технічного й соціального розвитку суспільства є комплексна механізація й автоматизація. У цьому напрямку за останні роки в країні пророблена чимала робота: створені автоматизовані системи керування виробництвом (АСУП), оснащені ЕОМ, металорізальні верстати із програмним керуванням, що обробляють центри, спеціалізовані автомати й автоматичні системи, роторні й роторно-конвеєрні лінії й ін.

1. Суть науково-технічного напрямку

Подальша інтенсифікація виробництва й підвищення продуктивності праці вимагають якісно нового підходу. Так звана тверда автоматизація, тридцятилітній основу сучасного виробництва й базована на спеціальному автоматизованому устаткуванні, потокових і автоматичних лініях, орієнтована на багатосерійне й масове виробництво й непридатне для умов серійного, а тим більше дрібносерійного через високу вартість, складності й тривалості переналагодження на випуск нових видів продукції, тобто не має властивість гнучкості.

Сучасний світовий ринок, орієнтований винятково на запити споживача, диктує промисловості необхідність пристосування до коливань попиту, частої зміни номенклатури випускається продукції, тобто вимагає виробів, вироблених малими партіями й більшою мірою задовольняючим індивідуальним потребам на основі виробництв, що перебудовуються гнучко. Так, зараз не менш 70% світової машинобудівної продукції становлять вироби, що випускаються дрібними й середніми серіями. Однак вимоги малої серійності й високої продуктивності праці практично несумісні в традиційному машинобудівному виробництві, тому що найбільш гнучкі виробництва, що володіють необмеженими можливостями перебудови на випуск будь-якої продукції, що базуються на універсальному технологічному встаткуванні й керовані вручну, вимагають застосування дефіцитного й усе більшого здорожчання висококваліфікованої праці робітників і практично вичерпали можливості подальшої інтенсифікації й росту продуктивності праці. Таким чином, зложилося протиріччя, що не вирішуються в рамках традиційних науково-технічних принципів автоматизації. Крім того, нових підходів вимагає й ряд інших немаловажних факторів комплексної автоматизації виробництва. Так, навіть при порівняно високому рівні автоматизації основних технологічних процесів сучасного виробництва значна частина допоміжних операцій, як правило, монотонних і стомлюючих, а найчастіше й травмонебезпечних, пов'язаних із завантаженням і розвантаженням устаткування, переміщенням і складуванням деталей і т.п., практично не піддається автоматизації традиційними засобами, продовжує виконуватися вручну, гальмує подальше вдосконалювання технологій.

Операції, а саме виготовлення типової деталі на верстаті займає лише 2-3% часу. А це величезні резерви. Нарешті, за допомогою традиційних методів твердої автоматизації вкрай важко або дуже дорого, а найчастіше просто неможливо автоматизувати складальні, зварювальні, фарбувальні й інші операції, що не піддаються твердої регламентації процесу.

І останнє: тепер людство підійшло до рубежу, коли його подальший прогресивний розвиток немислимо без інтенсивного дослідження нових просторів і сфер діяльності - космосу, океанських глибин, найглибших земних надр, а також розробки новітніх технологій, освоєння яких звичайними методами при особистій участі людини неефективно, а в багатьох випадках взагалі неможливо.

Таким чином, у наявності гострі протиріччя сучасного суспільства й виробництва між досконалістю промислової техніки й характером праці при її використанні, вимогами інтенсифікації виробництва й традиційних методів її досягнення, потребою в трудових ресурсах і їхній пропозиції, необхідністю освоєння нових просторів, технологій і обмежених психофізіологічних можливостей людини. У повній відповідності із законами діалектики ці протиріччя, що стримують подальший розвиток виробництва й суспільства, а також сучасні досягнення науки й техніки - механіки, електроніки, інформатики, кібернетики й інших - привели до виникнення й інтенсивного розвитку роботів і робототехніки.

2. Загальні принципи роботизації

Уже найближчим часом очікується інтенсифікація впровадження робототехніки в промислове виробництво, причому як найбільше багатообіцяюча область додатка адаптивних роботів нових поколінь розглядаються складальні технології, а критичне осмислення досвіду тимчасових невдач і розчарувань допоможе не повторити помилок минулого, виробити більше зважені й ефективні підходи й науково-технічні напрямки роботизації. Так, професором Л.И. Волчкевичем рекомендовані загальні принципи технічної політики при роботизації промислового виробництва.

Перший принцип - принцип досягнення кінцевих результатів - говорить, що засобу роботизації повинні не просто імітувати або заміщати людини, а виконувати виробничі функції швидше, надійніше й краще людини, лише тоді вони по-справжньому будуть ефективними.

Другий принцип - принцип комплексності підходу - диктує необхідність розгляду й ув'язування в єдиному комплексі всіх найважливіших компонентів виробничого процесу: об'єктів виробництва (виробів), технології, основного й допоміжного устаткування, системи керування й обслуговування, кадрового забезпечення, взаємодії із зовнішніми структурами й ін.

Третій принцип - принцип необхідності - визначає застосування засобів роботизації, нехай найсучасніший і перспективних, не там, де їх можна пристосувати, а лише там, де без них не можна обійтися.

Четвертий принцип - принцип своєчасності, - не допускає впровадження й тиражування недостатньо дозрілих і відпрацьованих технічних рішень і конструкцій. Впровадження дорогих, малонадійних і непродуктивних роботів і інших засобів автоматизації може привести лише до їхньої дискредитації.

3. Що таке "робот"

Для визначення основного поняття "робот" варто усвідомити головні критерії оцінки його можливостей, тому що робот за своєю концепцією виник як пристрій, покликане замінити праця людини в найрізноманітніших видах і сферах, додатка, оцінка його можливостей повинна виходити із трьох категорій здатностей, властивій живій істоті, зокрема людині, - фізичних, функціональних і інтелектуальних. Робот - це тривимірна машина, що має три виміри, що відповідають простору живої істоти. Обчислювальні й інші інформаційні машини, а також машини вантажопідйомного, будівельного, транспортного виду двомірні. Стаціонарні машини загального застосування, що існували дотепер, можна вважати одномірними, що мають тільки фізичні можливості. Як же визначається поняття "робот"?

У широкому розумінні робот може бути визначений як технічна система, здатна заміщати людини або допомагати йому у виконанні різних завдань. Однак і дотепер відсутній стругаючи й загальноприйняте формулювання Різні джерела дають різне тлумачення цього поняття. Від інших систем, призначених для обробки вступник ззовні інформації й одержання керуючих впливів (наприклад, систем автоматичного керування технологічними процесами), роботів відрізняє антропоморфізм ...".

Професор Токійського університету, доктор Сигэру Ватаата пропонує вважати роботом пристрій, здатний самостійно переміщатися в просторі, справлятися із завданнями аналізу сцен і розпізнавання образів, що володіє числом ступенів рухливості, що вміє аналізувати обстановку за допомогою зворотного зв'язку, а також прогнозувати ситуації, опираючись на власний досвід і доступну інформацію.

Професор Токійського технологічного інституту доктор Сэйко Мори вважає, що роботом може бути названий пристрій за умови, що він володіє універсальністю, мобільністю, являє собою одне фізичне тіло, працює автоматично, повністю підкоряється людині, а також здатне до елементарної інтелектуальної діяльності. При цьому універсальність, мобільність, індивідуальність і автоматизм - всі ці якості є невід'ємними ознаками всіх роботів без винятку.

Відомий французький фахівець Пилип Куафе нагадує, що робот - це керована машина, що володіє наступними двома властивостями:

1) універсальними можливостями, тобто здатністю виконувати різні механічні дії в реальному просторі, для чого роботові необхідно мати механічну структуру зі змінюваною геометрією ланок

2) адаптивністю до зовнішнього середовища, тобто здатністю самостійно змінювати своє поводження залежно від змін її стану.

Ще далі по шляху конкретизації поняття йде професор М. Щпрингер з Університету Куин Мері, відповідно до визначення якого пристрій, щоб називатися роботом, повинен мати мінімальний набір властивостей і можливостей, таких як 1) наявність механічної руки й захоплення; 2) уміння самостійно пересуватися й самостійно управляти своїми діями; 3) наявність виконавчої системи й системи керування, які в сукупності забезпечують реалізацію попередніх властивостей; 4) наявність комп'ютера, здатного запам'ятовувати програми керування відпрацьовуванням вступників ззовні наказів, а також програм, що реалізують рішення, які приймає сам робот, виходячи з набору деяких заздалегідь певних альтернатив; 5) наявність пристроїв і датчиків, здатних визначати торкання роботом яких-небудь зовнішніх предметів, вимірювати ступінь гладкості поверхні, твердість матеріалу, місце розташування заданого предмета, його масу, теплопровідність, температуру, ступінь близькості цього предмета, визначати його форму й розміри, характерні зовнішні ознаки, колір, відстань, захід, знаходити місце розташування "рук і ніг" робота, а також аналізувати звукові сигнали.

Варто привести ще одне визначення поняття "робот", отримане шляхом статистичного аналізу відповіді на питання: "Що таке робот, чим він відрізняється від машин і автоматичних систем?", що задавався 156 експертам, що спеціалізуються в різних галузях науки й техніки. Результатом експертизи з'явилося наступне визначення: "Робот являє собою рухливу компактну систему, відмітними ознаками якої є чутливі елементи, маніпулятори й, саме головне, деяка ступінь штучного інтелекту. При цьому штучний інтелект ототожнюється головним чином зі здатністю до навчання й відповідно до зміни поводження".

При всій численності й розмаїтості формулювань спробуємо виділити закладені в них найбільш характерні відмітні ознаки роботів, до яких, мабуть, варто віднести:

1) автономність, під якою розуміється здатність самостійного виконання дій або виробничих операцій, відповідно лише із програмним алгоритмом або із цілевказуючою командою й умовами, що змінюються, зовнішнього середовища;

2) універсальність, що розуміється як здатність виконувати всілякі дії або виробничі операції й легко переходити з одного виду дій на іншій;

3) автоматичність, тобто здатність виконувати досить складні й завершені дії або виробничі цикли без безпосереднього втручання людини-оператора;

4) антропоморфізм, що розуміється в широкому змісті як наділення робота здатностями, властивій людині: фізичними (силовими), функціональними (руховими) і інтелектуальними (подібність робота з людиною, що зовсім необов'язково й може використовуватися лише в спеціальних цілях;

5) адаптивність, тобто здатність до цілеспрямованої зміни свого поводження під впливом змін зовнішніх умов і до навчання в процесі взаємодії із зовнішнім середовищем (гнучкість). Здатність до адаптації й навчання реалізується шляхом наділення робота тими або іншими засобами зворотного зв'язку: дотиком, зором, слухом, нюхом, запам'ятовуванням і т.п. Виділені в найбільш загальному виді без зайвої деталізації ці п'ять відмітних ознак досить повно визначають здатності й можливості робота як технічної системи. При цьому три перших є зовсім невід'ємними ознаками будь-якого робота, а два наступних - четвертий і п'ятий - тією чи іншою мірою можуть бути властиві найбільш складним роботам. Таким чином, може бути дане досить загальне й стисле визначення класу машин, іменованих роботами.

Робот - це автономно функціонуюча універсальна автоматична машина, призначена для відтворення фізичних, рухових і розумових функцій людини, наділена здатністю до адаптації й навчання в процесі активної взаємодії з навколишнім середовищем.

Робот - гарний приклад того, як сума раніше відомих складових частин (маніпуляторів, ЕОМ, сенсорики) дає нову якість - принципово новий тип технічного пристрою, що володіє в досить розвиненому варіанті штучним інтелектом, штучними органами почуттів (сенсорика), здатністю сприймати навколишнє середовище й активно впливати на неї, навчаючись і вдосконалюючись у ході цього процесу. Роботів, а тим більше промислових, повністю відповідному вищенаведеному визначенню, поки ще немає; широко застосовувані роботи не мають пристрої типу органів почуттів людини й здатністю мислити, а подібні розробки поки не вийшли зі стін наукових лабораторій і не одержали широкого застосування. Однак наука й техніка роблять упевнені кроки по шляху рішення однієї з фундаментальних проблем робототехніки - створення що почувають і мислять роботів.

4. Склад і структура робота

Робот, активно взаємодіючий з навколишнім середовищем, у загальному виді повинен містити наступні системи: керуючу, інформаційно-вимірювальну (сенсорну), систему зв'язку, виконавчу (моторну).

Керуюча, або інтелектуальна система - це "мозок" робота, що служить для вироблення законів керування механізмами виконавчої системи на основі закладеної програми з урахуванням сигналів зворотного зв'язку від сенсорної системи. Важливою функцією цієї системи є розпізнавання ситуацій і моделювання середовища функціонування робота, планування дій і прийняття цілеспрямованих рішень, програмування й оптимізація рухів, а також організація спілкування робота з людиною й взаємодіючими пристроями на тій або іншій мові. Керуючі системи роботів реалізуються на базі пневматичних або електричних логічних елементів, аналогових і цифрових систем, а в найбільш зробленому варіанті - на основі ЕОМ або мікропроцесорів, що містять широкий набір вхідних (аналого-цифрових) і вихідних (цифро-аналогових) перетворювачів і інтерфейсних каналів зв'язку, число яких може коливатися від декількох десятків до декількох тисяч. По цих каналах, як по нервових волокнах, передаються безперервні (аналогові) і дискретні (цифрові) сигнали. Інтелектуальні й адаптивні можливості робота визначаються головним чином алгоритмічним і програмним забезпеченням керуючої системи.

Інформаційно-вимірювальна, або сенсорна система - це штучні органи почуттів робота, призначені для сприйняття й перетворення інформації про стан зовнішнього середовища й самого робота. Як елементи сенсорної системи використовуються телевізійні й оптико-електронні пристрої, лазерні й ультразвукові далекоміри, акустичні датчики й гідролокатори, тактильні, контактні й індукційні датчики, а також датчики положення, швидкості, сил і моментів, потенціометри, тахометри, акселерометри й т.п.

Система зв'язку - це "мова" робота, що служить для передачі сигналів інформації між системами робота, а також для організації обміну інформацією між роботом і людиною або іншими роботами й пристроями з метою здійснення діалогу, формулювання завдань роботові, контролю за функціонуванням його систем, діагностики несправностей, регламентної перевірки й т.п.

Інформація від людини надходить звичайно через пристрій уведення або пульт керування шляхом фізичного впливу (натискання кнопки або клавіші, ключа телеграфного апарата й т.п.). Останнім часом усе ширше починає застосовуватися мовне спілкування, а також уведення інформації за допомогою біопотенциалів (біоуправління). Інформація від робота до людини надходить, як правило, у формі світлових і звукових сигналів, а носіями цієї інформації є різного роду табло, - цифрові індикатори, дисплеї, телекамери й т.п. Результати лабораторних досліджень дають підстави думати, що в найближчому майбутньому стане можливим мовне спілкування з роботом на природній людській мові.

Сукупність керуючої, інформаційно-вимірювальної й системи зв'язку утворить інформаційно-керуючу систему робота, що забезпечує обробку й передачу інформації, і безпосереднє керування приводами й механізмами виконавчої системи з метою організації активної взаємодії робота з навколишнім середовищем і виконання завдань, сформульованих людиною.

Виконавча, або моторна система - це пристрої, призначені для безпосереднього впливу на об'єкти навколишнього середовища або взаємодії з ними відповідно до керуючих сигналів, що формулюються інформаційно-вимірювальною системою або безпосередньо оператором. Як елементи моторної системи використовуються приводи (двигуни), передатні пристрої (передачі), пов'язані з ними механічні руки (маніпулятори), механічні ноги (педикулятори), різні технологічні інструменти, графобудівники, візки з колісним, гусеничним і іншими шасі й ін.

5. Покоління роботів

Незважаючи на те, що історія створення й розвитку сучасних роботів нараховує деяким більше чверті століття, вони перетерпіли значну еволюцію, як у змісті елементної бази, так і в змісті зміни їхньої структури, появи нових можливостей і функцій, розширення областей застосування, характеру використання. Тому зложилася традиція ділити історію розвитку й рівень досконалості роботів на покоління. Варто обмовитися, що розподіл це досить умовно й розуміти його треба в специфічному змісті. Так, деякі фахівці думають більше правильним слово "покоління" замінити терміном "вид". Однак не будемо порушувати сформовані в техніку традиції. Кожному поколінню роботів властиві як певні характерні показники, так і певні сфери застосування. Кожне наступне покоління роботів має більші можливості й досконалістю, але не виключає попереднього; вони взаємно доповнюють один одного й знаходять застосування відповідно своїм функціональним можливостям і умовам економічної доцільності. До теперішнього часу сформувалося три покоління роботів.

5.1 Роботи першого покоління

Роботи першого покоління - це роботи із програмним керуванням (ПР - програмні роботи), призначені для виконання певної, жорстоко запрограмованої послідовності операцій, диктуемої відповідним технологічним процесом. Керування такими роботами здійснюється по заздалегідь заданій програмі, а виходить, при строго певних і незмінних умовах експлуатації. Простота формування й зміни програми, тобто можливість перенавчання, зробила таких роботів досить універсальними й перебудовуються гнучко.

Однак функціональні можливості роботів першого покоління істотно обмежені малими можливостями інформаційно-вимірювальної й недостатньою досконалістю керуючих систем, у результаті чого здатність до сприйняття зовнішнього миру й формуванню його моделі в програмних роботів практично відсутній. Такі роботи не можуть функціонувати самостійно: будь-яке відхилення від заздалегідь певних і заданих програмою умов веде до збою й зупинки, а в найбільш важких випадках - до аварії й виходу робота з ладу. В останні роки в цій групі стали виділяти більше розвинутий варіант, називаний півтора покоління, оснащений деяким набором елементів адаптації.

До роботів першого покоління відноситься переважна більшість сучасних експлуатованих промислових роботів, за допомогою яких здійснюється установка, зняття, транспортування виробів, механічна й термічна обробка, найпростіші складальні операції, зварювання, штампування, пресування, малодоходний, лиття під тиском, фарбування й обробка й т.п. Вони добре справляються з обслуговуванням металорізального встаткування (зокрема,- верстатів зі ЧПУ й обробних центрів), печей, пресів, технологічних ліній, ливарних машин і ін., однак утрудняються виконувати більше складні виробничі операції (наприклад, складальні, монтажні), що не піддаються твердої регламентації процесу, тому що роботи першого покоління принципово не можуть функціонувати автономно в недетермінованій обстановці.

Успішне функціонування роботів із програмним керуванням можливо лише при чітко певних умовах, створення яких вимагає введення спеціального технологічного устаткування, вартість якого часто перевищує вартість самого робота. Це ускладнює й здорожує роботизацію виробництва й інших сфер діяльності людини, робить її менш гнучкої, тому необхідні більше зроблені роботи, що володіють значно більше розвиненим апаратом адаптації, більшою інформаційною потужністю, здатністю до адаптації й самонавчання, тобто роботи другого покоління.

5.2 Роботи другого покоління

Роботи другого покоління - це адаптивні роботи (АР), призначені для роботи з неорієнтованими об'єктами довільної форми, здійснення складальних і монтажних операцій, збору інформації про зовнішнє середовище. Вони відрізняються, по-перше, істотно більшим набором і досконалістю як зовнішніх сенсорних датчиків (телевізійні, оптичні, тактильні, локаційні й т.п.), так і внутрішніх (датчики положень "руки" або "ноги" відносно "тіла" робота, датчики зусиль і моментів і т.п.) і, по-друге, більше складною системою керування, що вимагає для своєї реалізації керуючої ЕОМ. Невід'ємною частиною роботів другого покоління є їх алгоритмічне й програмне забезпечення, призначене для обробки сенсорної інформації й вироблення керуючих впливів.

Технічні органи почуттів , що входять в інформаційно-вимірювальну систему роботів другого покоління, служать джерелом зворотних зв'язків для керуючої системи; остання, обробляючи отриману інформацію, формує закон керування виконавчими механізмами з урахуванням фактичної обстановки. Таким чином, адаптивні роботи при відповідному апаратному, алгоритмічному й програмному забезпеченні здатні розпізнавати "ситуації" і автоматично пристосовуватися (адаптуватися) до заздалегідь не певним і умов, що змінюються, експлуатації, тобто ставати адаптивними роботами, при цьому їхні функціональні можливості можуть бути істотно розширені шляхом нарощування програм обробки сенсорної інформації й адаптивного керування.

Можливості роботів другого покоління, оснащених значним числом датчиків зовнішньої й внутрішньої інформації й потужної керуючої ЕОМ з розвиненим програмним забезпеченням, значно перевершують можливості роботів першого покоління. Завдяки здатності "розпізнавати" зовнішню обстановку, аналізувати сенсорну інформацію й пристосовуватися до умов, що змінюються, експлуатації, адаптивні роботи можуть взаємодіяти з неорієнтованими об'єктами в неупорядкованій обстановці, а виходить, виконувати дослідницькі роботи, складальні й монтажні операції, збирати інформацію про навколишнє оточення й т.п.

У цей час у лабораторіях і наукових центрах миру ведуться інтенсивні дослідження з розробки технічного, програмного й алгоритмічного забезпечення перспективних моделей адаптивних роботів. Особлива увага при цьому приділяється системам технічного зору, тактильному й силомоментній адаптації роботів, а також мікропроцесорної реалізації алгоритмів обробки інформації й управління.

5.3 Роботи третього покоління

Роботи третього покоління - це так звані інтелектуальні (ИР), або розумні, роботи, призначені не тільки й не стільки для відтворення фізичних і рухових функцій людини, скільки для автоматизації його інтелектуальної діяльності, тобто для рішення інтелектуальних завдань. Вони принципово відрізняються від роботів другого покоління складністю функцій і досконалістю керуючої системи, що включає в себе елементи штучного інтелекту.

Тут доречно звернутися до поняття штучного інтелекту. По визначенню відомого вченого-кібернетика професори А.В. Тимофєєва, під інтелектом розуміється здатність мозку вирішувати (інтелектуальні) завдання шляхом придбання, запам'ятовування й цілеспрямованого перетворення знань у процесі навчання на досвіді й адаптації до різноманітних обставин. При цьому під інтелектуальними розуміються завдання, пов'язані з відшуканням алгоритму рішення цілого класу завдань певного типу. Діяльність же мозку, що володіє інтелектом, спрямовану на рішення інтелектуальних завдань, будемо називати мисленням, або інтелектуальною діяльністю.

У процесі рішення інтелектуальних завдань проявляються такі характерні риси інтелекту, як здатність до аналізу й узагальнення, навчанню й нагромадженню досвіду (знань і навичок), адаптації до умов, що змінюються, у процесі інтелектуальної діяльності. Завдяки цим якостям інтелекту, "мозок" може вирішувати різноманітні завдання, а також легко перебудовуватися з одного завдання на іншу, будучи універсальним засобом рішення широкого кола завдань (у тому числі неформалізованих), для яких немає стандартних, заздалегідь певних методів рішень.

У процесі інтелектуальної діяльності людина постійно шукає шляхи й засоби до досягнення тієї або іншої мети, намагається виробити план дій, або алгоритм, випливаючи якому можна досягти цієї поки недоступної мети, і, завдяки навчанню й досвіду, використовувати надалі вироблений алгоритм, поширивши його для ефективного рішення вже цілого класу подібних завдань. Саме здатність до подолання труднощів і перешкод, знаходженню обхідних шляхів послідовного наближення до мети методом проб і помилок там, де немає прямий і однозначний шляхи, відрізняє інтелектуальну діяльність від неінтелектуальної.

Виникає принципове питання: чи можна моделювати інтелектуальну діяльність, або, іншими словами, створити штучний інтелект? Сучасна наука ствердно відповідає на це питання. Безсумнівно, що обчислювальні машини й роботи в принципі можуть мати основні риси інтелекту. Більше того, сучасні найбільш зроблені ЕОМ і роботи в сукупності з їх алгоритмічним і програмним забезпеченням уже володіють, принаймні, частково, цими рисами. Про подібні системи говорять, що вони містять елементи штучного інтелекту. У самому загальному виді штучний інтелект - це сукупність машинних автоматичних методів і засобів цілеспрямованої переробки інформації (знань) відповідно до придбаного в процесі навчання й адаптації досвідом при рішенні різноманітних інтелектуальних завдань.

Штучний інтелект робота можна трактувати як алгоритмічне й програмне забезпечення його інформаційно-керуючої системи, що володіє здатністю моделювати (відображати) навколишнє середовище й вирішувати широкий клас інтелектуальних завдань за допомогою навчання на власному досвіді й адаптації до умов, що змінюються, функціонування. У загальному виді інтелектуальний робот здатний розуміти природну мову й вести діалог з людиною, створювати в собі модель зовнішнього середовища, розпізнавати й аналізувати образи й ситуації, формувати поняття, планувати поводження, на підставі чого будувати програмні рухи виконавчої системи й здійснювати їхнє відпрацьовування в умовах неповної інформованості.

Потреба в інтелектуальних роботах з'явилася лише в останні роки. Якщо роботи другого покоління вже використовуються для ряду науково-технічних розробок (наприклад, для космічних і глибоководних досліджень) і їх починають застосовувати в промисловості, то роботи третього покоління поки ще в процесі розробки. Однак в усьому світі ведуться інтенсивні наукові дослідження зі створення й удосконалювання різних систем інтелектуальних роботів: розпізнавання об'єктів, образів і ситуацій; формування моделі зовнішнього середовища; вироблення доцільного поводження в умовах невизначеності; надійного відпрацьовування рухів виконавчими органами; самонавчання в процесі взаємодії із зовнішнім середовищем і т.д.

Спроби створення роботів, здатних "бачити", оцінювати й аналізувати навколишнє оточення, відповідно плануючи й здійснюючи свої дії, тобто володіючих ознаками штучного інтелекту, початі ще в 1960-х рр. Одним з перших успіхів на цьому шляху було створення в 1960 р. експериментального робота "Шийки" у Станфордському науково-дослідному інституті (США). Оснащений органами технічного зору й керований оригінальною програмою робот STRIPS (Stanford Research Institute Problem Solver - станфордський "вирішувач завдань") продемонстрував уміння самостійно виробляти алгоритми для виконання завдань переміщення в неорганізованому просторі приміщення, пошуку заданих об'єктів-блоків і їх зіштовхування з височини за допомогою клиноподібного предмета. І хоча робот діяв дуже повільно, довгостроково "обмірковуючи" свої дії, а виконувані операції відрізнялися примітивністю, навіть такий рівень експерименту зажадав застосування складної комп'ютерної програми STRIPS і дозволив переконатися в принциповій можливості створення "мислячої машини".

6. Класифікація роботів

6.1 Промислові роботи

Промислові роботи, у свою чергу, підрозділяються на три групи по своїх ознаках: виробничі, або технологічні (ВПР), що виконують основні операції технологічних процесів; підйомно-транспортні промислові роботи, або допоміжні (ПТПР), що виконують допоміжні дії типу "взяти - перенести - покласти"; універсальні (УПР), що виконують різні (і основні, і допоміжні) операції.

По спеціалізації промислові роботи підрозділяються на спеціальні, виконуючі строго певні технологічні операції або обслуговуючі конкретні моделі технологічного встаткування; спеціалізовані, або цільові, призначені для виконання технологічних операцій одного виду (зварювання, складання, фарбування й т.п.) або для обслуговування певної групи моделей технологічного встаткування, об'єднаних спільністю маніпуляційних дій; універсальні, або багатоцільові, призначені для виконання як основних, так і допоміжних технологічних операцій різних видів і з різними групами моделей технологічного встаткування.

Тому що сучасне будівництво по ступені й стилю механізації наближається до промисловості, будівельні роботи можуть бути включені в цю групу. Вони призначені для автоматизації будівельного виробництва, якому органічно властиве величезна кількість ручних операцій, як допоміжних, так і основних.

У наш час у будівельному виробництві знаходять застосування різні маніпулятори з керуванням оператором, а також промислові роботи для виробництва будівельних матеріалів. Створення роботів для виконання основних будівельних операцій, наприклад, монтажу будинків і споруджень - справа майбутнього й вимагає, очевидно, кардинального перегляду будівельних технологій. У всякому разі при розробці й створенні таких роботів прийде перебороти ряд труднощів, зокрема, вирішити проблеми забезпечення більших вантажепідйомностей і оснащення роботів зробленими системами адаптації й адаптації в умовах украй неорганізованого середовища їхнього функціонування.

6.2 Сільськогосподарські роботи

Сільськогосподарські роботи призначені для автоматизації трудомістких і монотонних процесів у сільськогосподарському виробництві, що традиційно вимагає значних витрат праці. Крім операції доїння, найбільш автоматизованої в останні роки, стає можливим створення спеціальних транспортно-технологічних засобів, наприклад, тракторів, керованих без водіїв і використовуваних для сівби, оранки, внесення добрив, обприскування посівів, обрізання зайвих втеч і т.д.

Як повідомлялося, у Франції був розроблений мобільний робот, призначений для автоматичного видалення зайвих пагонів виноградної лози, а японська фірма "Toshiba" уже випускає незвичайного робота-садівника, що може саджати молоді дерева, підрізати гілки й т.д. Двома "пальцями" він схоплює рослину, а спеціальні присоси виключають поломку гілок. Японські вчені, однак, уважають "садівника" ще недостатньо зробленим, а тому нове покоління роботів-садівників повністю виключить втручання людини в такі процеси, як підрізування дерев і чагарників, пересадження й навіть запилення квітів.

Досить актуальним, хоча на перший погляд і фантастичним, є завдання створення роботів для догляду за тваринами, пасіння худоби й т.п. Наприклад, Австралійська вовняна корпорація в умовах твердої конкуренції прийняла довгострокову програму пошуку ефективних засобів стрижки овець і після глибокого вивчення проблеми дійшла висновку, що найбільш обіцяючими є застосування роботів. Дослідження із програми автоматизованої стрижки привели до розробки в Мельбурнському університеті техніки для автоматичного вилову овець, розміщення й утримання їх у колисці, подачі в робототехнічну машину для стрижки; багатьма науковими колективами ведуться подальші роботи з удосконалювання системи адаптації й адаптації.

Несподіваний додаток ідеї роботизації сільськогосподарського виробництва знайшла одна з японських фірм, створивши роботизоване лякало "Тегаку" для захисту садів і ягідників від птахів у період дозрівання й збирання врожаю. Робот-Пугало, ростом 175 див з "руками", "ногами" і "головою", за допомогою відеокамери фіксує наближення зграї або окремих птахів, включає магнітофонний запис із лементами хижих птахів і тривожних лементів їхніх пернатих жертв. Одночасно робот починає розмахувати "руками" із прикріпленими до них прапорцями й рухатися по доріжках, автоматично зупиняючись після зникнення птахів. Лякало працює автоматично, енергія надходить від убудованих сонячних батарей.

6.3 Транспортні роботи

Транспортні роботи призначені для автоматизованого транспортування об'єктів, а також для керування різними транспортними системами. Дослідження й розробки по створенню транспортних роботів інтенсивно ведуться в усьому світі. При цьому виділяються чотири принципово різних типи - наземні, повітряноплаваючі, водоплавні й підземні. Теорія й практика трьох останніх типів не досягли ще в цілому того рівня, щоб говорити про їх сьогодні як про загальну реальність. Практичний розвиток одержали нині наземні транспортні роботи, які можуть бути колісними, крокуючими й гусеничними.

Найбільший розвиток і поширення в цей час одержали колісні транспортні роботи, використовувані досить широко в промислових автоматизованих транспортно-складських системах і гнучких автоматизованих виробництвах у вигляді мобільних автоматичних кранів, автоматичних керованих візків (АУТ), робокарів і ін., що оснащуються в багатьох випадках різними маніпуляційними пристроями. У найпростішому виді такі роботи випливають по рейках або по маршруті над кабелем, прокладеним під поверхнею підлоги. Генератор частоти, подаючи струм по кабелю, створює магнітне поле, що вловлюється двома датчиками прийомного пристрою візка, що направляють її по необхідному маршруті. Навіть такі 58 прості системи АУТ дозволяє включати маршрути з декількома галузями й петлями за допомогою використання різних частот для кожного шляху. У більше складному варіанті візок обладнається автономної керуючої ЕОМ і засобами адаптації.

Каліфорнійська фірма "Odetics" створила керований на відстані мобільний автономний шестиногий робот "Odex-1", названий фірмою "функционоїдом" і здатний, крокуючи по місцевості, переборювати уступи до 1 м, а за допомогою маніпуляторів піднімати вантаж, масою до 1 т, і транспортувати його. Варто помітити, що " функционоїд", розробка якого обійшлася в 1 млн. діл., призначений для військових цілей - знешкодження бомб, несення вартової служби, мінування й розмінування місцевості, а також різних дій на поле бою. Безсумнівно, що подібний мобільний робот може виявитися незамінним засобом для здійснення рятувальних робіт і ліквідації наслідків аварій у зонах і місцевостях, важкодоступних або небезпечних для людини через радіаційне або хімічне зараження, високих температур і ін.

6.4 Роботи спеціального призначення

Роботи спеціального призначення служать для виконання різного виду ремонтних, відбудовних і рятувальних робіт в екстремальних умовах і ситуаціях, а також попередження аварій, стихійних лих і ліквідації їхніх наслідків. Розробка таких роботів спрямована на рішення важливих проблем безпеки й схоронності людини й середовища його перебування, а тому є не тільки вкрай актуальної, але й шляхетним завданням.

Сфери конкретного застосування спеціальних роботів досить - різноманітні - це профілактичні, ремонтні й рятувальні роботи в екстремальних умовах (наприклад, на ядерних реакторах АЕС, надводних і підводних судів, підприємств); знезаражування приміщень, споруджень і місцевості від радіоактивних, хімічних, біологічних і інших викидів; знешкодження різних вибухових пристроїв; пошук і порятунок людей при аваріях і стихійних лихах; боротьба з пожежами, активний контроль і попередження людей про стихійні лиха й аварії, ліквідація їхніх наслідків; боротьба з тероризмом і організованою злочинністю; несення активної патрульної служби й багато чого іншого.

Відомо, що для ліквідації наслідків аварії на Чорнобильської АЕС минулому розроблені й використані робототехнічні пристрої як у вигляді радіоуправляємих бульдозерів, так і спеціальних роботів для знезаражування прилягаючої місцевості, дахи й будинки аварійного блоку АЕС. І хоча терміновість замовлення й стислі строки розробки не дозволили створити зроблені конструкції, проте роботи зіграли свою роль.

Розробка й створення більше зробленого робота для аварійних ситуацій на АЕС ведеться в співдружності між нашими і югославськими вченими з 1989 р. у лабораторії великого фахівця в області біомеханіки й робототехніки професора Миомира Вукобратовича. Крокуючий "багатоногий" робот оснащується спеціальним маніпулятором, системою технічного зору, сенсорикою і системою керування, що дозволяють йому ефективно функціонувати у вкрай нетипових ситуаціях.

Японські фахівці створили робота-пожежного, здатного за допомогою ультразвукових датчиків і лазерних сенсорів не тільки виявляти вогнища пожеж, але й "бачити" перешкоди, що зустрічаються на шляху, і боротися з вогнем за допомогою спеціальної рідини, що направляється під тиском із двох стовбурів. Спеціальне ізоляційне покриття дозволяє "пожежному" працювати протягом 3 хв при температурі 800° С.

Міністерство зовнішньої торгівлі й промисловості Японії проводить у життя програму по створенню спеціального робота для особливо небезпечних робіт - боротьби із сильними пожежами, усунення аварій на ядерних реакторах і операцій в океанських глибинах. Цей "супер робот", по зовнішньому вигляді віддалено, що нагадує кентавра, з парою потужних рук-маніпуляторів і невеликою "головою" із чутливими очима-телекамерами, посадженої на гнучку механічну "шию", здатний витримувати надвисокі температури й значний тиск. Стійкий зв'язок з апаратом підтримується за допомогою лазерної системи, а сам він наділяється штучним інтелектом, що дозволяє приймати самостійні рішення в екстремальних ситуаціях для найбільш ефективного виконання поставлених йому завдань.

Ще одна цікава розробка по створенню спеціального робота, здатного діяти при непередбачених обставинах у небезпечній для людини обстановці, ведеться в рамках програми "Еврика" рядом західноєвропейських країн. Учені з Італії, Франції й Іспанії розробляють модель автономного мобільного робота (AMP), призначену для дії в критичних ситуаціях - при технологічних катастрофах (наприклад, на АЕС), стихійних лихах, пожежах, при погрозі великих терористичних актів. У зараженій місцевості буде діяти AMP, захищений додатковим шаром штучної "шкіри", що згодом при знезаражуванні він самостійно ліквідує. Робот наділяється штучним інтелектом: він зможе легко пересуватися по території, що постраждала від стихійного лиха або аварії, за допомогою потужної інформаційно-керуючої системи сприймати навколишнє оточення й оцінювати її зміни. Найбільш зроблений варіант розробки буде складатися із двох взаємодіючих спільно роботів АМР-1 і АМР-2.

Несподівані області застосування спеціальних роботів відкриваються у зв'язку з винаходом японських учених, що дозволяють аналізувати й кодувати заходи. Під керівництвом професора Токійського інституту технології Тоесакі Морицумі створений робот, здатний розпізнавати заходи, що відкриває багатообіцяючі можливості використання таких розробок у харчовій промисловості, косметиці, парфумерії, медицині, митній і розшукній справі.

Як бачимо, сфери застосування спеціальних роботів досить різноманітні, і науковий пошук у цьому напрямку триває досить інтенсивно.

6.5 Побутові роботи

Побутові роботи призначені для автоматизації різних операцій як безпосередньо в побуті людини, так і в сфері обслуговування. Ці роботи покликані реалізувати найважливіше соціальне завдання суспільства - вивільнення часу людини для духовного життя. Створення побутових роботів - досить складне наукове й інженерне завдання, тому що тут необхідні гнучкі універсальні системи, тобто адаптивні роботи з елементами інтелекту, здатні самостійно виконувати різні на перший погляд прості роботи - готування їжі, миття посуду, прибирання приміщень, шиття й ремонт одягу, догляд за дітьми, навчання різним навичкам, розвага людей та ін., але зовсім що не піддаються твердій регламентації.

Усе більше розширюється застосування засобів робототехніки у виробництві предметів одягу й харчової індустрії. У Японії, наприклад, розроблені роботи для крою й пошиття одягу, на базі яких створюється безлюдне виробництво. Державним коледжем у Лондоні розробляються методи автоматичного оброблення м'яса. Робот, що заміняє людину, повинен спочатку визначити місце розташування різних костей за допомогою спеціального сенсорного пристрою, щоб потім за допомогою робочого органа у вигляді ріжучої петлі, розташованого на кінці руки-маніпулятора, почати відділення м'ясної маси.

Більшим попитом будуть користуватися домашні роботи. Навіть при зроблених науково-технічних можливостях розробка й створення адаптивних апаратів, які могли б допомагати людині в домашніх турботах, охороні будинку, роботі на присадибній ділянці й т.п., - цілком реальне завдання. Так, президент фірми "Unimation" Джозеф Енгельбергер повідомив про створення в рекламних цілях робота на ім'я "Айзек", що подає каву відвідувачам в офісі фірми. У Великобританії розроблений робот "Ровер", покликаний замінити сторожового собаку. Оснащений зробленими сенсорикою і системою керування цей робот за допомогою датчиків чуйно "прислухається" до всіх зовнішніх шумів, а у випадку спроб проникнення сторонніх у будинок вибухне голосним гавкотом, одночасно зробивши повідомлення в найближчу поліцейську ділянку. "Ровер" виконує також функцію протипожежного пристрою, здіймаючи тривогу при перших ознаках витоку газу. У Франції, у вестибюлі станції паризького метро " Нотр-Дам", пройшли успішні випробування робота-чистильника, оснащеного системами сухого й вологого збирань. Бортовий комп'ютер і система ультразвукової локації дозволяють роботові під час роботи чемно обходити людей, не падати по шляху й навіть підніматися по ескалаторі. В останні роки все більше застосування знаходять робототехнические пристрою для розваг і забави. З одного боку, вони мають чисто прикладне значення, користуючись всі зростаючим попитом не тільки в дітей, але й дорослих, з іншого боку - допомагають дослідникам виходити на нові рішення, вигострювати оригінальні розробки в ході створення різноманітних "забавних" моделей. Широку популярність одержали, наприклад, різні шахові автомати. Цікавий робот по ім'ю "Кубот", створений американським ученим Бэттлом для ігор у кубик Рубика. Визначивши, у якому стані перебувають грані куба, робот, використовуючи спеціальний алгоритм, закладений у його пам'ять, за допомогою рук-маніпуляторів виконує необхідні рухи доти, поки не поверне кожної грані один колір. При цьому навіть на самий заплутаний варіант він затрачає не більше 3 хвилин.

Формується перспективна концепція створення робототехнічних ігор, коли мікророботи, зібрані граючими за принципом відомої гри "Конструктор", змагаються між собою, наприклад, у проходженні лабіринту ("Мікромиша" Джона Білингслі), перенесенню вантажів і навіть у грі в настільний теніс. Робототехнічні ігри, таким чином, можуть стати одним з багатообіцяючих напрямків розвитку побутових роботів.

Однією з найбільш привабливих і шляхетних сфер додатка побутових роботів є надання допомоги інвалідам. Прикладом такої розробки є дослідження, проведене в Токійському університеті, де створюють "дворукого" робота-няньку, здатного виконувати цілий набір завдань - від зняття слухавки до названня стола.

Інший японський проект, розроблювальний з 1977 р. у лабораторії механіки (м. Цукуба), ставить метою створення робота-поводиря для втративших зір. Колісний робот, що рухається, "Мелдог", посилаючи ультразвукові імпульси, виявляє й пізнає перешкоди на своєму шляху, а бортовий комп'ютер порівнює отриману інформацію із закладеної в пам'яті топографічною картою даного району. Таким чином, робот, одержуючи подання про те, що відбувається в найближчому оточенні, здатний помітити, наприклад, що рухається автомобіль або інший транспортний засіб поблизу перехрестя, що має намір перейти сліпий. Крім того, робот оснащений оптичним датчиком для збору інформації про орієнтири, що зустрічаються на його шляху, і передачі для аналізу в комп'ютер. "Мелдог" управляє власником через електричний сполучний шнур, а електричні імпульси, що посилаються роботом, надходять на електроди пульта керування, з якими контактують пальці людини. Імпульси посилають у відповідності зі спеціальним кодом, освоївши який сліпий треба правильним шляхом, уникаючи небезпечних зіткнень.

Велика область застосування відкривається перед робототехнікою в охороні здоров'я й медицині - це навчання фізичним вправам, фізіотерапія, хірургія, протезування й т.п. Незамінним помічником для тренерів гірськолижного спорту може стати розроблений професором з м. Нігата Мотиосі Міура "Роботаро" - електронний лижник, здатний по заданій програмі наочно демонструвати елементи руху й самих складних маневрів гірськолижників, визначати раціональну програму спуска.

У клініці університету японського міста Кобе як асистент лікаря-фізіотерапевта "трудиться" робот, допомагаючи здійснювати програму відновлення в пацієнтів функцій ушкоджених і хворих суглобів і м'язів. При проведенні лікувальної гімнастики для ушкодженої кінцівки робот використовує свою гнучку й рухливу "руку", за допомогою якої виконує спеціальні вправи суглоба й порівнює результати з попередньо закладеної в його пам'ять, програмою лікувального тренування, видаючи результати на екран дисплея. Особливо підкуповує хворих "товариськість" робота, що задає темп і веде лік вправам. На рішення, здавалося б, зовсім фантастичного завдання мобілізовані кращі сили ряду університетів Японії, а також потужних корпорацій "Hitachi", "Sumitomo Donki" і ін. по створенню мікроскопічного робота-хірурга, здатного самостійно пересуватися по внутрішніх каналах людського організму, що вміє відшукувати уражені ділянки, видаляти ракові клітки й робити інші складні операції. "Якщо такий мікроробот буде створений, те це може викликати справжню революцію в медицині", - уважає один з розроблювачів програми професор Токійського університету Івао Фудзимаса.

Подальше вдосконалювання й повсякденне використання побутових роботів перебувають у прямої залежності від успіхів в області розробки систем штучного інтелекту

6.6 Роботи - проектувальники

Роботи - проектувальники призначені для автоматичного розрахунку й проектування машин і споруджень, розробки технологічних процесів, систем керування, інформаційного забезпечення й т.п. У цей час вони існують лише у вигляді окремих систем автоматизованого проектування (САПР), ще далеких від досконалості, але інтенсивно розвиваються.

Проблема роботизованого проектування (проектування за допомогою роботів) стає особливо актуальною у зв'язку з розробкою й створенням гнучких виробничих систем, що складаються з декількох роботизованих модулів і утримуючих настільки багато змінних, що людині-проектувальникові стає не під силу погодити їх між собою. Ідеальним інструментом для рішення таких завдань проектування стає моделювання на комп'ютері за допомогою роботів. Прикладом такого робота-проектувальника може служити система "GRASP" (Graphical Robot Application Simulation Package - пакет програм для графічного моделювання робіт за допомогою робота), створена в Ноттингемському університеті (Великобританія). Шляхом аналізу й оцінки великого масиву вихідних даних і параметрів система дозволяє усунути протиріччя й забезпечити оптимальне планування робочого встаткування роботизованого модуля ГПС із видачею графічного зображення.

Подальший розвиток роботизованого проектування в гнучких автоматизованих виробництвах припускає оснащення їхніми системами, позначуваними по міжнародній термінології: CAD (Computer - aided Design - комп'ютерна система проектування) - аналог вітчизняної системи автоматизованого проектування; САМ (Computer - aided Manufacturing - комп'ютерна система виробництва) - аналог вітчизняної автоматизованої системи керування технічними процесами (ACVTTI); CAI (Computer - aided Inspection - комп'ютерна система контролю).

У таких єдиних інтегрованих системах CAD-CAM-CAI, або те ж що CAD-MAT (МАТ - Manufacturing and Testing - виготовлення й контроль) роботам-проектувальникам приділяється важлива роль.

6.7 Дослідницькі роботи

Дослідницькі роботи - це роботи, призначені для пошуку, збору, переробки й передачі інформації про досліджувані об'єкти. Такими об'єктами можуть бути важкодоступні, а також недоступні для людини сфери - космічний простір, океанські глибини, надра Землі, екстремальні лабораторні умови й т.п. - або області, де потрібні виявлення, переробка й аналіз величезних кількостей інформації, наприклад, інформаційний пошук і розвідка, мистецтво й література

7. Особливості керування

По методу керування, або ступеня особистої участі людини в керуванні, роботи підрозділяються на три класи: біотехнічні, інтерактивні й автоматичні.