На поводу у человека

Знакомьтесь - роботы!

Марионетки - так назывались театральные куклы, получившие широкое распространение в народных кукольных театрах Чехии 100-200 лет назад. Голова и туловище марионетки соединены между собой подвижно, руки и ноги свободно раскачиваются, сгибаясь в крупных суставах, подвижно соединяющих отдельные их части. К этим подвижным сочленениям куклы (в плечах, бедрах, коленях, шее, локтях, кистях рук, ступнях) привязаны нитки, верхние концы которых прикреплены к управляющему механизму - небольшой деревянной крестовине, состоящей из вертикальной рукоятки и одной-двух подвижных поперечин, которые могут качаться и поворачиваться относительно рукоятки.

Рукоятка этого механизма играет роль базы, к ней подвешивается голова или туловище куклы. К поперечинам привязываются нити, идущие ко всем ее суставам. Кукловод, раскачивая и поворачивая поперечины, заставляет идущую как бы на поводу у него марионетку сгибать руки и ноги - совершать сложные движения.

В театрах марионеток разыгрывались представления, в которых участвовало одновременно несколько кукол. У отдельных марионеток число нитей превышало 20, они обладали очень большой подвижностью, управление ими требовало от кукловода высокого мастерства. Он быстро наклоняет или выпрямляет поперечины, те или иные нити то подтягиваются вверх, то опускаются вниз, и в соответствии с этой быстротекущей "программой" кукла пляшет или вытирает рукой слезы. Конечности куклы повторяют движения пальцев артиста - его дело выразить в этих движениях человеческие чувства и действия.

Почему мы здесь вспомнили о марионетках? По той простой причине, что примерно та же идея управления использована во многих конструкциях копирующих манипуляторов, которые сегодня широко применяются на практике. Оператор, работающий на таком манипуляторе, как кукловод, приводит рукой в движение управляющий механизм, звенья которого соединены со звеньями исполнительного механизма, как соединена крестовина с суставами марионетки. Как кукловод, оператор в процессе управления так строит свои движения, так их дозирует, то есть выбирает и изменяет их скорости, чтобы копирующие эти движения исполнительные механизмы наилучшим образом выполнили всю программу действий.

Идея устройства, использованная в копирующих манипуляторах, не нова. Но насколько отличаются эти машины от старинной марионетки!

Мы уже знаем, для решения каких задач они сегодня применяются. Манипулятор предназначен для того, чтобы работающий с ним в паре человек мог взять расположенный вдалеке объект манипулирования или инструмент, переместить его из одного места в другое, ориентировать его там нужным образом, провести над ним или с его помощью разнообразные действия, операции, заставить его так или иначе двигаться. Все эти действия с объектами манипулирования должен выполнять исполнительный механизм так или почти так, как если бы их выполняла рука человека, по возможности точно и быстро.

Управляющий и исполнительный механизмы копирующего манипулятора - это две механические руки примерно одинаковой конструкции. Только кисть управляющей руки - это рукоятка, которую оператор держит в руке, а кисть исполнительной руки - это захват, которым в конечном счете оператору приходится производить все манипуляции: брать, переносить, поворачивать, заворачивать, вставлять, вынимать, собирать, одним словом, работать.

Оператор обычно работает одновременно двумя руками, воздействуя на рукоятки двух управляющих рук. Две их механические копии, оканчивающиеся захватами, повторяют предпринятые человеком движения.

Итак, все, казалось бы, очень просто! Управляющая и исполнительная руки - каждая имеет 6 степеней подвижности для выполнения необходимых движений в пространстве, и еще по одной - для взятия объекта; на управляющей рукоятке имеются гнезда для большого и указательного пальцев, управляющих открытием и закрытием захвата исполнительной руки. Соответственные звенья обеих рук связаны между собой передачами, обеспечивающими одинаковость их движений. Каждая соответственная пара звеньев движется одинаково, одинаковы их суммарные движения, одинаково движутся захват и рукоятка, и когда оператор разводит или сводит большой и указательный пальцы - открывается или закрывается захват.

Оператор и механические копии его рук разделены и действуют на расстоянии. При работе с радиоактивными веществами эти расстояния могут измеряться метрами и десятками метров. При работе в подводном мире - десятками, сотнями и тысячами метров, в космическом пространстве - сотнями тысяч и миллионами километров. Точная и быстрая передача движений на такие расстояния - вот первое из сложных и важных требований, превративших простые щипцы в полуробот, сложный машинный агрегат.

Чтобы затянуть гайку, к гаечному ключу нужно приложить усилие, значительно отличающееся от того, какое необходимо, чтобы удержать пальцами хрупкое сырое яйцо. Человек, двигаясь, работая, не только делает самые разнообразные движения, но еще направляет и дозирует усилия, связанные с этими движениями. Копирующий манипулятор должен обеспечить оператору возможность управлять не только движениями объекта манипулирования, но и величинами и направлениями усилий, которые надо к нему прикладывать во время той или иной операции, - вот еще одно важное требование к конструкции этой машины.

Как удержать в руках и не раздавить хрупкое яйцо, как действует механизм интеллекта, дозирующий усилия, пока никто вам объяснить не сумеет. Но одно нам уже совершенно ясно - при выполнении любых действий человек пользуется информацией, непрерывно собираемой его органами чувств. При построении движений и дозировании усилий ему обычно служат зрение или осязание, или одновременно оба эти чувства.

Оператор управляет манипулятором, наблюдая непосредственно или с помощью телевизионных устройств за движениями, воспроизводимыми исполнительными руками. Так осуществляется зрительная обратная связь по перемещению в пространстве. Механизм этого управления нам уже знаком. Оператор непрерывно сравнивает наблюдаемые им положения и скорости исполнительных рук с желаемыми и непрерывно вносит коррекцию, устраняя возникающие рассогласования.

Однако при выполнении многих работ такой визуальной обратной связи по перемещению оказывается недостаточно. Когда приходится дозировать усилия, систему управления необходимо дополнить обратной связью "по усилию". Проще всего для этого использовать естественные информационные каналы оператора. Но если человек находится в одном месте, а его "руки" в другом, то, чтобы у него возникали ощущения усилий, нужно прежде всего снабдить "чувствами" механические руки или хотя бы их захваты.

Копирующий манипулятор должен быть очувствлен по отношению к действующим на него усилиям, должен обладать свойством отражать на руки оператора усилия, действующие на захваты. Очувствление - еще одно важное требование, предъявляемое к конструкции манипулятора.

И это еще не все. Мы ничего не сказали о важном требовании, связанном с необходимостью не только ощущать усилия, но при желании иметь возможность в несколько раз увеличивать силы, развиваемые на исполнительных руках, снабдить оператора "сверхчеловеческими" возможностями. Такие конструкции давно существуют и применяются. Конечно, эти свойства достигаются не за счет подбора операторов-гигантов, а путем использования дополнительных источников мощности, которые включаются в систему "оператор-манипулятор".

Перед конструкторами громоздятся требование за требованием, возникающие из-за того, что каждым движением, действием полуроботов непрерывно управляет человек; они работают "рука об руку", образуя единую биотехническую систему.

Как покупатель в магазине подбирает туфли или костюм, чтобы они нигде не жали, не тянули, не заставляли горбиться, так и создатели полуроботов вынуждены приспосабливать и подгонять свойства и возможности машины к свойствам и возможностям человека. А ведь эти свойства и возможности совершенно не совпадают, они подчас просто противоречивы. Для чего хороша машина, для того совершенно не подходит человек; свойства человека совершенно несвойственны машине.

Попробуйте рукой провести в пространстве прямую линию или на листе бумаги карандашом нарисовать сколько-нибудь точную окружность, попробуйте вертеть сверло со скоростью в 1000-500-100-50 оборотов в минуту или поднять груз весом в 500 килограммов. Оператора, обладающего такими возможностями, невозможно ни найти, ни подготовить, а машине это проще простого.

У вас, как у каждого, кто представляет себе эти и подобные им несоответствия, наверное, возникает вопрос: "Зачем "спаривать" так тесно человека и машину? Зачем пытаться соединять противоречивое? Ведь каждому ясно, насколько сильно при этом человек ограничивает машину. Копирующий манипулятор, управляемый человеком, никогда не сумеет провести в пространстве точную окружность, а его механическая рука никогда не сумеет ударить по гвоздю 3 раза в секунду".

Казалось бы, уж если человек умудрился построить такую квалифицированную и сложную машину, как манипулятор, которая может делать множество разнообразных движений, может выполнять их точно и развивать при этом гигантские усилия, может многое, чего не может человек, так пусть ею управляет не человек, а автомат. Переделайте полуробот в робота, и все тут!

Переделать можно. Только после такой переделки он не сумеет делать то, что умел, когда им управлял человек. Работая в паре с машиной, человек придает этой биотехнической системе наряду со своими человеческими недостатками еще и свои человеческие достоинства. Без них очень часто не обойтись. Чтобы не прослыть опрометчивыми консерваторами, скажем - пока не обойтись (будучи уверенными, что круг работ, которые человек сумеет поручать роботу, конечно, должен непрерывно расширяться).

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