Очень полезный сам по себе, этот подход хорошо "работает", когда речь идет о внешних проявлениях деятельности живой системы, о том, что она делает. Машины и автоматы в конечном счете делают то, что раньше делал человек или что он собирался или собирается делать. На этом уровне бионический подход оказывается чрезвычайно полезным.
Но по мере того как пытаемся проникнуть в глубь изучаемых процессов, переходим от вопроса "что делает?" к вопросу "как делает?", так, к сожалению, полезность бионического подхода резко убывает.
Чрезвычайно полезно было заметить ту множественность функций, ту универсальность, какая свойственна живой руке, а затем воспроизвести эти ее "генеральные" свойства в механической руке. Но зачем делать механическую руку антропоморфной, зачем навязывать ей структурные, кинематические, другие ограничения, несущественные для механической системы? Зачем ее звеньям придавать относительные размеры, свойственные живой руке, не умея объяснить, в чем преимущество этих размеров перед какими-либо другими?
Никто не ответит убедительно на эти вопросы, на многие другие вопросы, касающиеся механизмов управления, обучения и самообучения в живых системах.
Машина — не человек. В ней все проще, понятней. Но машина — не таблица умножения, в которой всегда 2х2=4. Одну и ту же группу задач автоматизации могут успешно решать самые различные роботы, а существующее уже сегодня разнообразие и изобилие этих задач дает все основания думать, что вообще не существует одной-единственной исключительной конструкции робота, которая была бы наилучшей со всех точек зрения для любых применений.
Опыт Природы, создавшей для всех "человеческих" применений единственную "конструкцию" в виде нашего тела, не является убедительным, когда речь идет о роботах.
Наша книга не справочник по робототехнике, но два-три примера, иллюстрирующих сказанное здесь, не будут лишними.
Один из первых промышленных роботов — робот "версатран", который до сих пор выпускается в США и в Англии. Он, как и все машины с программным управлением, как все другие конструкции промроботов, состоит из двух блоков: исполнительного, включающего руку со всеми приводами, обеспечивающими ее движения, и управляющего — в виде отдельного пульта.
Описание его устройства и принципа действия, сделанное сухим, техническим языком, выглядит так. Механическая рука с кистью, к которой крепится сменный захват, проходит через прорезь в вертикальной поворотной колонке. Рука имеет три степени подвижности, три управляемых движения: два поступательных — относительно колонны — вдоль и поперек ее оси, и одно вращательное — вместе с колонной. Еще два движения имеет кисть в "лучезапястном" суставе. Шестое движение — открытие-закрытие захвата. Поступательные перемещения рука совершает в пределах 0,75 метра, допустимый поворот колонны — 240 градусов.
Робот "версатран" выпускается в двух вариантах, отличающихся способами программирования и, как следствие этого, функциональными возможностями.
Один из вариантов предусматривает ручной набор программ с помощью специального программного барабана. Набор программы сводится к тому, что включается специальное ручное управление. С помощью отдельного блока, содержащего три вращающиеся ручки, "обучающий" последовательно переводит механическую руку из одной нужной позиции в другую.
Положение руки в каждой позиции "запоминается" в одной из "строк", с помощью специальных штырьков, имеющихся на барабане. Программный барабан при переходе руки из одной позиции в следующую поворачивается на одну строку. Так одно за другим запоминаются последовательные положения руки, строится программа полного цикла ее движения. На этом процесс обучения заканчивается.
При автоматическом воспроизведении программы нажимом кнопки приводится во вращение программный барабан, штырьки последовательно включают приводы, обеспечивающие движения руки в соответствующих направлениях.
Описанный только что вариант управления роботом "версатран" подобен устройству кнопочной системы ручного управления. Разница только в том, что здесь человек только один раз, в процессе обучения робота, "нажимает кнопки" в строках программного барабана, вводя всю программу, а затем эту программу робот может многократно воспроизвести в автоматическом режиме. При этом, как и в системе кнопочного управления, программа управляет только включением и выключением приводов; скорости руки программой не задаются. Такие системы управления называют позиционными.
Естественный отбор
Второй вариант управления роботом "версатран" существенно отличается от первого. Принцип его легко понять, вспомнив устройство магнитофона; оно позволяет с помощью микрофона записать на движущуюся магнитную ленту любую мелодию, а затем воспроизвести эту мелодию с помощью динамика.
Звук на магнитной ленте "запоминается" в форме невидимых глазу магнитных меток. В точно такой же форме на магнитной ленте можно "запомнить" перемещения руки. Каждому из управляемых движений робота можно отвести на магнитной ленте отдельную "строку", причем сигналы в этой строке могут управлять не только включениями и выключениями соответствующего привода, но и скоростью движения руки по этому направлению.
У захвата робота имеется дополнительная рукоятка, предназначенная специально для целей обучения. Руку переводят на "ручное управление". Оператор включает магнитофон на запись программы и начинает двигать захват, воспроизводя все движения, которые должен будет потом повторять робот. Движения захвата то замедляются, то ускоряются, соответственно замедляется и ускоряется работа приводов, все эти изменения регистрируются на магнитной ленте. Цикл обучения на этом кончается.
Затем оператор переключает робот на автоматический режим. С этого момента магнитная лента — результат обучения робота — становится программой его работы.
Систему управления, обеспечивающую возможность произвольно менять скорости движения руки на протяжении всего рабочего цикла, называют системой непрерывного, или контурного, управления.
Позиционная и непрерывная системы составляют два основных типа систем, используемых при создании промышленных роботов. Обучать роботов можно либо так, как мы только сейчас рассказали, то есть вручную отрабатывая всю программу и заставляя робот запомнить ее в той или другой форме, либо можно рассчитать программу, используя необходимую технологическую информацию, и внести непосредственно в память робота, не моделируя ее в форме движений захвата. Для этого также существуют самые различные способы и устройства.
Семейство "бесчувственных" роботов растет. 3500 роботов, которые, по подсчетам специалистов, работали в 1975 году на производстве, — это не 3500 "версатранов". Это многие десятки самых различных типов, вариантов, конструкций роботов и систем управления ими: американские роботы "юнимейт", "тралфа", "велдотрон", "трансива", "мобилити", "флэксимен" и другие; японские роботы фирм "Синко Дэнки", "Курода", "Мицубиси", "Фудзикоси", "Аида", "Токио Кэйки" и т. д.; английские роботы "минитрэн", "минимэн", "машеми"; роботы шведские и др. Все они разные, несмотря на то, что все они обладают специфическими, характерными только для роботов свойствами.
Проблемой создания и внедрения промышленных роботов заняты также и советские ученые и инженеры. Они начали заниматься этим еще в 60-х годах, и в результате ими уже создано много опытных образцов. В числе первых — роботы универсального назначения УМ-1, "Универсал-50", УПК-1. Проблемам робототехники, обещающей освободить человека от утомительного, однообразного, вредного труда, в нашей стране уделяют особое внимание.
Роботы первого поколения сегодня переживают один из самых ответственных периодов своего существования — период внедрения, период "естественного отбора". Идет жестокий отбор их конструкций, причем критерии, по которым он производится, разнообразны и многочисленны — стоимость и универсальность, грузоподъемность и габариты, объем обслуживания и удобство программирования, и, конечно, два чрезвычайно важных критерия, характеризующих точность и быстроту их действия.