книги / Робот. Компьютер. Гибкое производство

ботов для сложных монтажно-сборочных операций практи­ чески во всех видах производств. Высокую заинтересован­ ность предприятий в использовании адаптивных роботов следует рассматривать как путь существенного снижения требований к организации рабочей технологической сре­ ды. Использование современных микропроцессорных уст­ ройств управления роботами позволяет не только обеспе­ чить сложные законы движения при дуговой сварке, ок­ раске, лазерной обработке, операциях фрезерования, но и придать роботам возможности адаптации к изменяю­ щимся условиям рабочей зоны за счет использования раз­ витых систем информационного обеспечения.

Неуклонно расширяется сфера внедрения робототехни­ ки и в немашиностроительные отрасли промышленности. Так, добывающие отрасли промышленности, и в первую очередь угольная и нефтяная, которые связаны с особен­ но тяжелыми и опасными условиями труда рабочих, все более ориентируются на внедрение средств робототехни­ ки. Особую значимость роботы приобретают при глубоких подземных разработках и обслуживании подводных соору­ жений нефтяных скважин, наиболее сложных в условиях северных морей.

Для особо трудных условий добывающей промышлен­ ности весьма эффективны такие робототехнические сред­ ства, как шагающие машины —в нашей стране в этой области проведены серьезные научные исследования и опытно-конструкторские разработки.

На транспорте —автомобильном, железнодорожном, морском (речном) —следует всемерно внедрять робото­ технические средства на погрузочно-разгрузочных рабо­ тах. Это позволит существенно сократить не только чи­ сло транспортных рабочих-такелажников, но и время простоя самих транспортных средств, особенно в суровых зимних условиях.

Перерабатывающие отрасли промышленности, и среди них металлургия, давно уже нуждаются в переходе на прогрессивные виды автоматизированного оборудования с широким использованием робототехники. Эффективная эксплуатация в кузнечно-прессовом производстве фран­ цузских роботов типа «Андромат» подтверждает большие возможности робототехники в улучшении условий труда рабочих в горячих цехах.

Строительная индустрия уже сегодня может использо­ вать новые виды транспортных средств, перемещающихся по вертикальным поверхностям, поднимающихся по лест­

11

ницам и производящих монтажные работы в глубоких котлованах.

Большой дефицит рабочей силы в агропромышленном комплексе ставит весьма актуальные задачи роботизации полевых работ в сельском хозяйстве, примером которой могут служить тракторы с дистанционным управлением. Обеспечение транспортных операций и многих трудоемких работ в животноводстве, обслуживание крупных морозиль­ ных установок и хранилищ, переработка продукции на овощных базах уже сегодня начинают ориентироваться на автоматизированное оборудование с широким исполь­ зованием робототехники.

Большие перспективы улучшения условий труда рабо­ чих на основе роботизации производственных процессов определились в легкой и пищевой промышленности. Се­ годня трудно найти области народного хозяйства страны, где внедрение робототехники оказалось бы безуспешным, конечно, при разумном ее применении и высоком качест­ ве и надежности самих средств робототехники.

Робототехника все увереннее внедряется и в сферу обслуживания человека. По зарубежным данным, роботы начали применяться в больничных палатах, созданы роботокары и локомоционные устройства для инвалидов, изоб­ ретены манипуляционные протезы верхних конечностей, разработаны роботы-поводыри для слепых и многие дру­ гие робототехнические устройства. Роботы-официанты и уборщики помещений, роботизированные средства приго­ товления пищи —все это является техникой сегодняшне­ го дня.

Начиная с крупнейшей международной научно-техни­ ческой выставки «Экспо-85» в Японии ежегодно демонст­ рируются неограниченные возможности применения робо­ тотехники в сфере интеллектуальной деятельности чело­ века и его отдыха. Роботы-пианисты, художники, артисты, циркачи; роботы, играющие в теннис и биллиард,—это персональная робототехника XXI в. Такие достижения показывают результаты исследований и научно-техниче­ ские возможности не только робототехники, но и совре­ менной механики, кибернетики, информатики и вычисли­ тельной техники.

Следует, кроме того, особо отметить, что достижения в развитии робототехнических систем позволили на со­ временном научно-техническом уровне подойти к созданию специальной робототехники для экстремальных условий, где непосредственное присутствие человека в рабочей

12

зоне либо совершенно исключено, либо опасно для его здоровья и жизни.

Большой опыт, накопленный при разработках дистан­ ционно управляемых манипуляторов, действующих в ус­ ловиях повышенной радиации при обслуживании и ремон­ те атомных энергетических установок, проведении иссле­ довательских работ с радиоактивными материалами в боксах и камерах, позволяет в сочетании с последними достижениями промышленной робототехники приступить

ксозданию нового вида робототехнического оборудования

сдистанционно-автоматическим управлением. Ликвида­ ции аварии на Чернобыльской АЭС в значительной мере способствовало то, что имеющиеся научно-технические за­ делы в области робототехники позволили за полтора-два месяца создать и изготовить действующие образцы ди­ станционно-управляемых аппаратов, которые производи­ ли расчистку радиационных завалов, а затем были при­ няты как маршевые образцы для дальнейшего их произ­ водства.

Впоследние годы в США, Японии, западноевропейских странах усиленно осуществляются работы по созданию робототехнических комплексов для обслуживания атомных и перспективных термоядерных энергетических установок, эксплуатация которых с использованием средств робото­ техники может быть гарантированно безопасной. Послед­ ствия аварии на Чернобыльской АЭС убедительно пока­ зали необходимость дальнейшего развития робототехники для экстремальных сред на уровне современной элемент­ ной базы и достижений мировой практики роботострое­ ния. Необходимо также создание мобильных роботов для предупреждения опасности и ликвидации последствий ава­ рий на крупномасштабных химических, металлургических, нефтеперегонных и других подобных производствах, соз­

Большое значение придается также созданию робото­ техники для исследования и освоения подводного прост­ ранства. Огромные минеральные и энергетические ресур­ сы Мирового океана уже сегодня активно эксплуатиру­ ются с использованием подводных роботов, позволяющих работать не только на континентальном шельфе, но и на глубинах до 2 тыс. м. Проведение в Мировом океане по­ исковых, геологических, спасательных подводно-техниче­ ских работ с помощью телеуправляемых и автоматически

13

действующих подводных роботов позволяет решить мно­ гие задачи, имеющие важное народнохозяйственное значе­ ние для нашей страны.

Широко развернуты во всем мире работы по косми­ ческой робототехнике и созданию роботов чисто военного назначения. Характерно, что специальная робототехника

взападных странах активно создается фирмами, накопив­ шими наибольший опыт разработки и применения про­ мышленных роботов.

Завершая обзор существующих и перспективных обла­ стей применения роботов и робототехнических систем, необходимо обратить внимание на то, что в Японии, США и странах Западной Европы развивают это направление как одну из важнейших отраслей промышленности своих стран, имеющей сегодня и в перспективе огромное хозяй­ ственное и военно-стратегическое значение.

Сучетом всего сказанного и необходимо рассматривать робототехнику настоящего. Поэтому недальновидны вы­ сказывания некоторых специалистов о разорительности робототехники и других средств гибкой автоматизации производства. Они, как нам думается, основаны на субъ­ ективных оценках сегодняшних, далеко не раскрытых воз­ можностях новой техники и на предубеждении к отбору

вкачестве аргументов лишь неудачных примеров автома­ тизации производства. Факты из мировой практики пол­ ностью опровергают подобные утверждения. Достаточно сказать, что крупнейшие автомобильные компании про­ мышленно развитых капиталистических стран «Форд», «Дженерал моторе», «Фольксваген», «Ниссан», «Фиат», «Рено» уже подошли к завершению этапа полной роботи­ зации сварочных и окрасочных производств на своих

автосборочных заводах и активно приступили к роботи­ зации других производств, включая механосборочные. Се­ годня мысль о полном изготовлении автомобиля с по­ мощью роботов уже никому не представляется фантасти­ ческой.

Отметим также резкое увеличение выпуска персональ­ ных компьютеров в мире в конце 1980-х годов, что бе­ зусловно во многом обязано роботизации большей части этапов производства этой слояшой электронной техники, начиная с изготовления больших интегральных схем и печатных плат вплоть до окончательной сборки готовых изделий.

На этих примерах доводы о разорительности робото­ техники выглядят по меньшей мере наивными. Именно

14

ИНФОРМАТИКА И РОБОТОТЕХНИКА: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

В. С. МИХАЛЕВИЧ, В. И. РЫБАК

Технико-экономический уровень общества на современном этапе его развития в значительной мере определяется соз­ данием и использованием передовых технологий. В мире 2000 г. определяющее значение будут иметь такие техно­ логии, как термоядерный синтез, биотехнология, элект­ ронно-лучевая и плазменная технология, космическая связь и ряд других, а также информатика —новая техно­ логия переработки и использования информации в раз­ личных областях социальной практики [1]. Роль инфор­ матики имеет глобальный характер, поскольку во взаи­ модействии человека как мыслящего существа с окружаю­ щим его миром (природой, продуктами человеческой дея­ тельности, обществом и отдельными индивидуумами) информационное проявление мира играет решающую роль.

Проблемой, решение которой имеет общечеловеческое значение, является постижение законов и закономерно­ стей, определяющих существование и развитие мира как единой системы. В настоящее время масштабы вторже­ ния человека в природу и его энерговооруженность до­ стигли огромных размеров. Для того чтобы избежать действий, ведущих к нарушению природного баланса, и тем самым предотвратить порождение необратимых эко­ логических явлений, необходимо научиться предсказывать возможные последствия тех или иных действий человека. Информатика дает инструмент для накопления и обоб­ щения знаний о процессах и явлениях, построения их моделей и оптимизации принимаемых решений.

Проблемы моделирования и оптимизации приобретают исключительно важное значение в большинстве сфер че­ ловеческой деятельности —планировании, управлении, проектировании и т. д.

16

В управлении экономикой оптимизация на ■*верхних уровнях зачастую оказывается более важной, чем допол­ нительное включение в хозяйственный оборот веществен­ но-энергетических и трудовых ресурсов. Улучшение пока­ зателей работы отдельных предприятий и даже отраслей все больше нивелируется при общей неупорядоченности народного хозяйства. Радикальное усовершенствование хозяйственного механизма, создание новых действенных рычагов стимулирования качественного труда, ини­ циативы, технического прогресса несет с собой перест­ ройка. При ее осуществлении важную роль играет орга­ низационно-технологическая сторона планового управ­ ления. Необходимо обеспечить оптимальное сочетание централизованного управления с большой самостоятель­ ностью и инициативой на местах. Новый хозяйственный механизм, ориентированный на повышение самостоятель­ ности предприятий в выборе номенклатуры производимой продукции и определении хозяйственных связей, при­ званный в то же время обеспечить сбалансированность и оптимальность народного хозяйства в целом, вызовет новый информационный всплеск. Эффективное функцио­ нирование нового хозяйственного механизма в масштабе страны возможно только на новой информационной осно­ ве общества. Переход на человекомашинную технологию управления в общегосударственных масштабах предусмот­ рен концепцией Общегосударственной автоматизированной системы (ОГАС), разработанной под руководством

В.М. Глушкова.

Информатика радикально воздействует на научно-тех­

нический прогресс. От нее существенно зависит развитие упомянутых выше новаторских технологий. Информацион­ ные технологии обеспечивают создание гибких автомати­ зированных производств, последовательный переход к безлюдным производствам. При этом зачастую речь идет о росте производительности труда не на проценты, а на порядки, т. е. в 10—100 и более раз.

Создание гибких производственных систем, безлюдных производств, автоматизация технологических операций, выполняемых в экстремальных средах, предполагает ши­ рокое применение робототехнических систем. С методоло­ гической точки зрения можно выделить два аспекта робо­ тотехники. С одной стороны, робототехнические системы являются средствами автоматизации технологических операций, связанных с пространственными перемещения­ ми изделий и инструментов, не поддающихся автоматиза­

17

ции традиционными средствами. С другой стороны, они являются наиболее подходящей предметной областью, предоставляющей полигон для исследований в области искусственного интеллекта и организации его взаимодей­ ствия с исторически сложившимся человеческим интел­ лектом. В обоих случаях речь идет об автоматизации не только двигательной, но и интеллектуальной деятельно­ сти, связанной с восприятием, распознаванием, планиро­ ванием, управлением, взаимодействием с человеком и тех­ ническими системами. Принципиальное значение с на­ учной и практической точек зрения имеет создание автономных робототехнических систем и коллективов та­ ких систем, целенаправленно функционирующих в окру­ жающем их мире. Очевидно, что создание автономных роботов базируется в части их информационного обеспе­ чения на результатах в области информатики, стимули­ рует ее развитие и привносит в нее свои результаты.

Будем понимать под автономным роботом систему пе­ реработки информации и управления, целенаправленно взаимодействующую с окружающим миром посредством исполнительных механизмов, основными из которых яв­ ляются манипуляторы, включающую средства восприя­ тия, анализа и описания состояпия внешнего мира и ро­ бота и средства диалогового общения с человеком-опера- тором и техническими системами.

Целенаправленное функционирование робота достига­ ется путем автоматического планирования и исполнения действий на основе данных об исходном, целевом и теку­ щем состояниях объектов внешнего мира и собственно робота. Для реализации целенаправленного функциони­ рования предложена схема взаимодействующих инфор­ мационных процессов [2].

Ими являются:

— процесс интерпретации операторов языка управле­ ния и организации взаимодействия информационных процессов;

—процесс восприятия, анализа и описания состояния внешнего мира;

—процесс планирования движений исполнительных механизмом и управления ими;

—процесс образного и текстового отображения состоя­ ния робота и объектов внешнего мира.

Эффект целенаправленного поведения робота достига­ ется взаимосвязанной работой всех процессов.

18

Системное рассмотрение информационных процессов обеспечивает не только организацию их взаимодействия, но и оптимизацию функционирования каждого из них в смысле уменьшения сложности решаемых задач за счет взаимного использования результатов работы отдельных процессов. При этом обеспечивается сочетание автономно­ сти функционирования процессов с централизацией уп­ равления по достижению цели. Под автономностью функ­ ционирования понимается использование информационным процессом наиболее подходящего для него представления модели внешнего мира и соответствующих проблемной области методов и средств решения задач информационно­ го процесса.

Взаимодействие процессов и однозначная интерпрета­ ция результатов работ каждого из них достигаются раз­ работкой единой информационной основы функционирова­ ния всех процессов.

Для формулировки заданий роботу создаются языки и системы программирования роботов. Для поэтапного решения проблем, связанных с созданием автономных манипуляционных роботов, и обеспечения адаптации ра­ нее разработанных робототехнических систем создается иерархическая система вложенных языков формулировки заданий [3]. На языке верхнего уровня задание форми­ руется в виде конечной цели с указанием источника не­ обходимых данных и описанием внешних информацион­ ного и материального потоков.

На языке более низкого уровня последовательность технологических и вспомогательных операций над объек­ тами, ведущая к конечной цели, формулируется в опера­ торах языка с указанием средств осуществления этих операций. В результате интерпретации операторов языка этого уровня задействуются все информационные процес­ сы. Автоматическое планирование движений исполнитель­ ных механизмов, осуществляемое соответствующим про­ цессом, позволяет обойтись без языков более низкого уровня, что делает этот язык роботонезависимым.

Вложенность языков означает, что интерпретация опе­ раторов языка верхнего уровня осуществляется в терми­ нах языка более низкого уровня. Адаптация робототехни­ ческих систем, имеющих собственный язык и систему программирования робота, сводится к включению в сред­ ства интерпретации упомянутого выше языка нижнего уровня языковых и программных средств адаптируемой системы.

19

С точки зрения внешней относительно робота системы (например, оператора) интерпретация операторов языка равноценна выполнению заданий, сформулированных на этом языке. В этом смысле все информационные процес­ сы, в том числе и процесс интерпретации операторов языка управления и организации взаимодействия инфор­ мационных процессов, являются составными частями та­ кой «глобальной интепретации». Из сказанного следует, что рассматриваемый информационный процесс включает не только интерпретацию в смысле интерпретации языков программирования, но и стратегическое планирование действий информационных процессов.

Задача стратегического планирования может решать­ ся с участием человека-оператора с привлечением аппа­ рата экспертных систем. Степень участия человека опре­ деляется уровнем используемого языка управления (сте­ пенью автономности робота): при использовании языка верхнего уровня человек привлекается только в случае неудачи процесса в поисках решения; при использовании языка нижнего уровня человек участвует в планировании в большей мере, задавая последовательность действий над объектами внешнего мира.

Наиболее информативными в процессе восприятия, анализа и описания состояния внешнего мира являются системы восприятия и распознавания зрительных обра­ зов. В общей постановке задача распознавания объемных тел и пространственных сцен является задачей нахожде­ ния соответствия между априорными данными и данными измерений. Характер априорных данных определяет вид решаемой задачи и, как результат, ее сложность, стои­ мость и скорость решения. В порядке роста сложности виды возникающих задач следующие:

—уточнение состояния, когда класс объекта и его положение заранее известны;

—определение состояния, когда класс объекта изве­ стен, а состояние неизвестно;

—распознавание объектов и определение их состоя­ ния, когда известен только набор допустимых классов;

—описание неизвестной сцены в доступных системе понятиях при полном отсутствии априорных сведений.

Системное рассмотрение информационных процессов и наличие единой информационной основы функциониро­ вания всех процессов позволяет в большинстве случаев свести задачу распознавания к задаче уточнения состоя­ ния объектов. Системе распознавания доступны сведения

20