Первое поколение

Знакомьтесь - роботы!

Когда говорят о людях одного поколения, то имеют в виду группу людей, живущих на протяжении одного и того же исторического отрезка времени, и совершенно не имеют в виду их способности, квалификацию или обязанности, которые они выполняли. Когда говорят о роботах первого поколения, совершенно не имеют в виду год их выпуска, а характеризуют этим названием только уровень их функциональности, "квалификации".

Роботы первого поколения не "видят", не "осязают", они не имеют никаких "органов чувств - механизмов", которые информировали бы их о том, что происходит в рабочей зоне, там, где расположен объект манипулирования, как он себя ведет. Все, что должен делать такой робот, надо ему задать во всех подробностях до того, как он начнет работать. Его нужно "научить" заранее, в процессе работы он ничему не может научиться, опыт работы ему впрок не идет.

Робот первого поколения - автомат с программным управлением, отличающийся от всех других таких автоматов специфическим устройством исполнительного органа, представляющего собой механическую руку, обладающую тем или иным числом степеней подвижности в зависимости от ее конструкции и уровня универсальности движений, на который она рассчитана.

Несмотря на такую принципиальную простоту современных промышленных роботов, их конструктивные решения чрезвычайно разнообразны. Разнообразны конструкции механических рук, разнообразны системы управления их движениями, методы их "обучения", программирования. Инженеры и конструкторы не строили и не строят эти машины "по своему образу и подобию", и тому есть веские причины.

Руки у всех людей устроены одинаково; одно и то же число подвижных сочленений, одинаковые вид и конструкция, одинаковое количество мышц, одинаковые системы управления; мы уже достаточно подробно познакомились с их "техническими характеристиками".

Менее известен тот факт, что у всех людей приблизительно одинаковы даже относительные размеры всех звеньев руки - плеча, предплечья и характерного размера кисти. В среднем у всех людей длина плеча составляет 0,46 длины всей руки, предплечья - 0,40, кисти - 0,14. Отклонения от средних значений у разных людей очень невелики, так же как отклонения от средних величин углов поворотов в суставах.

Отсутствие в конструкции нашего тела сочленений, допускающих относительное вращение или значительные поступательные перемещения сочленяемых звеньев, можно объяснить понятными конструктивными соображениями. Мы это пытались сделать раньше. Что же касается удивительного постоянства относительных размеров звеньев живой руки, неизменно повторяющихся миллиарды раз, то нам не удалось нигде найти ответ на, казалось бы, самый естественный вопрос: чем это постоянство объясняется? Как здесь проявилась мудрость Природы? А кстати, нигде нет ответа на еще более простой вопрос: чем пять пальцев кисти лучше четырех или шести? Даже на этот вопрос вы не найдете ответа, если не считать наивных соображений о том, что четырех пальцев мало, а шести - много!

Мы не напрасно уделяем так много места рассказу об устройстве и свойствах нашего тела. Мы хотим вместе с вами разобраться в том, насколько глубоко и последовательно можно использовать в робототехнике подход, основанный на методах бионики, на изучении особенностей и свойств естественных, живых систем с целью воспроизведения этих особенностей и свойств в искусственном, неживом. 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 2x2=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 промышленных роботов, 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.

И.И.Артоболевский, А.Е.Кобринский, 1979 год