Миллионы людей работают у машин, станков, конвейеров, выполняя однообразные операции, утомительные своей монотонностью, требующие подчас значительных физических усилий. Автоматизация уже многое сделала, чтобы освободить людей от тяжелых обязанностей по обслуживанию машин. Но этого еще очень мало, даже если учитывать только сегодняшние потребности общества.
Машины становятся более сложными и более квалифицированными, а человеческий труд, необходимый для их обслуживания, оказывается все более простым, менее квалифицированным. И чем шире развертывается механизированное и автоматизированное производство, тем больше потребность именно в таком труде: однообразном, утомительном.
Конечно, славная профессия, скажем, квалифицированного токаря, который сам придумает и изготовит оправки и приспособления, «выведет» биение патрона, заточит резцы и на старом станке так обработает деталь, что «пальчики оближешь», не исчезла. Но огромная и непрерывно увеличивающаяся масса машин и автоматов требует именно такого обслуживания, когда все интересное — им, а однообразное, неинтересное — человеку.
Казалось бы, создавая машины, которые самостоятельно, без участия человека, выполняют множество сложных и точных операций, можно было бы дополнить их и такими устройствами, которые бы автоматически справлялись и с «самообслуживанием»: например, сами брали себе заготовку, сами ее устанавливали как надо, сами снимали готовое изделие. Почему же не строят машины с таким полным самообслуживанием?
Операции обслуживания машин, станков, различного оборудования, сборочные операции оказываются простыми, только когда их выполняет человек. Когда же их пытаются автоматизировать традиционными методами и средствами, то система автоматизации либо получается очень специализированной, пригодной для манипулирования только одним определенным видом изделия, что ограничивает универсальность самой машины, либо эта система оказывается очень сложной, подчас сложнее и дороже самой машины.
Действия и движения оператора при обслуживании машины настолько человеческие, что для их автоматизации нужны специальные автоматы, роботы.
Множество производственных процессов складывается из циклически повторяющихся операций. Цикличность — закон машинного, автоматизированного производства. Робот, как и любой другой автомат, предназначен для выполнения циклических, повторяющихся действий. В этом робот сходен с любой машиной, какую ему поручают обслуживать.
Вместе с тем промышленный робот — система универсального назначения: его можно использовать для обслуживания разных станков и машин, разных технологических процессов. И по аналогии с другими машинами, оснащенными программным управлением, промышленный робот часто называют автоматическим манипулятором с программным управлением.
Рабочий орган робота — механическая рука, которая умеет совершать движения и действия, похожие на человеческие. Это отличает робота от всех других автоматов и «сближает» с человеком-оператором.
Ступенчатый валик — простая деталь. Вот станок, за которым работает токарь. Справа от него на полу стоит деревянный ящик с заготовками, лежащими навалом. В заготовительном цехе их нарезали из круглой стали, обработали торцы так, чтобы можно было легко установить на станок. Слева от токаря, на инструментальном ящике — противень для выточенных валиков, которым затем предстоит пройти еще ряд операций.
Токарь, не глядя на ящик, берет заготовку, устанавливает в зажимное приспособление станка и включает его. Когда обработка заканчивается, он выключает станок, снимает валик и кладет его на противень.
Несколько лет тому назад операции установки заготовки и снятия изделий были только побочными, вспомогательными. Токарь, специально обучавшийся своему делу в течение двух-трех лет, выполнял много других операций по управлению станком, по контролю за точностью его работы.
Технологическая подготовка производства была предельно проста. Кончив обработку одних деталей, токарь шел к мастеру и тот выдавал ему чертеж другой детали, партию которой ему поручалось обработать, и наряд с указанием фамилии токаря, нормы времени. И все! В этих двух документах была полная информация о том, что и как ему нужно делать дальше. В них содержались совершенно ясные указания о порученной работе. И размеры изделия, и допуски, и твердость материала, и технические условия на биение, эксцентричность, перекосы и т. д.
Указаний о том, что токарь должен брать заготовки, устанавливать их на станок, снимать готовые изделия, там не было. Документ адресовался квалифицированному человеку, который любые подобные рекомендации воспринял бы как неумную шутку.
Но, если к станку вместо человека становится автомат, все пойдет совершенно по-другому. Еще когда промышленные роботы существовали только в воображении их создателей, стало ясно, что нельзя будет просто взять робота за его механическую руку, подвести к станку, вручить ему чертеж, наряд и, сказав уважительно, как человеку: «Ну, ПР-2816! Приступайте к работе!»,— спокойно уйти. Вы уйдете, а он будет спокойно стоять, ничего не делая!
Когда к станку вместо человека становится робот, с ним по-человечески нельзя. Ничего не получится! Роботу нужна подробная программа работы, которую ему хотят поручить. В этом смысле манипулятор с программным управлением сродни станку С программным управлением.
Ими, как всеми автоматами, управляют команды. Каждое новое задание нужно сопроводить подробной программой. Будь это задание десятым или сотым по счету — все равно! Нужно его разработать во всех подробностях и записать в коде, попятном системе управления роботом.
Указания, которых было достаточно человеку, а также все то, что считалось само собой разумеющимся и содержалось между строками задания, теперь, когда к станку становится робот, оказываются смутными, неконкретными и недостаточными понятиями.
Взять заготовку и установить ее на станок? Позвольте! Откуда взять? На какую высоту поднять? В каких направлениях переместить и на какие углы повернуть, чтобы она стала на место? С какими скоростями она должна двигаться и поворачиваться? Каково должно быть положение захвата, чтобы удобно и точно взять заготовку?..
Когда создавались и внедрялись станки с программным управлением — станки универсальной специализации, — возникало множество вопросов о том, как строить и рассчитывать программы движений инструмента и изделия. Большинство ответов на эти вопросы содержалось в чертежах, тех самых, которыми руководствовался токарь. Эту необходимую информацию легко было перевести в набор логических действий, записать в коде, понятном «логике» станка.
Станки с цифровым управлением знаменовали важный, но только первый этап комплексной автоматизации производства. Они не исключили человека из технологического процесса, оставив на его долю простые операции, не требующие от него высокой квалификации, но самые «человеческие» по содержанию.
Промышленный робот завершает комплексную автоматизацию, полностью освобождая человека от непосредственного участия в процессе производства. На этом этапе в технологии возникает ряд смутных понятий и вопросов, неожиданных потому, Что ответов на них нет ни в какой технической документации и решать их можно различными путями.
Давайте проследим за тем, как новичок осваивает какую-либо сборочную операцию, например, на конвейере.
Период обучения короток, но это не простая формальность. У оператора есть все, что нужно для качественного и быстрого выполнения операции: детали, инструмент, приспособления, причем все это расположено наилучшим образом, все под руками. И тем не менее поначалу выполнять операцию не просто. Она рассчитана на квалифицированного оператора. Это значит, что у него, например, гайка на болт «наживляется» сразу, не перекашивается, не заедает, или, скажем, устанавливая в кузове автомобиля сиденье, оператор знает, когда и где нужно нажать, оттянуть, повернуть, чтобы оно правильно стало на место... Словом, всему нужно научиться, получить навыки.
Ни в одной технологии нет указаний, как наживлять гайку на болт без перекоса, когда и где нужно нажать на сиденье, чтобы оно правильно стало на место. Считается само собой разумеющимся, что человек, осваивая операцию, думая, соображая, как удобнее, проще, быстрее ее выполнить, найдет и построит весь набор необходимых действий и движений, сам для себя разработает подробную программу операций, прочно уложит ее в свойственное ему множество движений (ведь известно, что два оператора одну и ту же операцию будут выполнять по-разному).
В период обучения мозг человека все время связан со всеми участками рабочего места. Он как бы следит за движением конвейера, смотрит туда, откуда берет деталь, инструмент. Каждому движению предпосылает мысль, взгляд: система управления этим движением нуждается в постоянной обратной связи, и каждый раз она охватывает много подробностей, много объектов. Движения получаются торопливыми, излишне размашистыми. Непонятно, то ли лучше шагнуть за движущимся конвейером, то ли согнуться, или просто вытянуть руки...
Но вот процесс обучения окончен. Привычные движения экономны и не кажутся торопливыми. Глаза лишь иногда и мельком оглядывают рабочее место. Обратные связи не нарушены, но система управления движениями значительно «укоротилась», стала оперативнее, требует минимального объема информации. Ощущения, что все в порядке, теперь приходят не только и не столько от зрения, сколько от других «чувств», скрытых в мышцах и сухожилиях, от рецепторов, реагирующих на уровень возбуждения мышц, па растягивающие их усилия. Работает то, что великий русский физиолог И. П. Павлов назвал «темным мышечным чувством». Новичок действует так же точно и быстро, как все операторы конвейера.
Предположим, что возникла задача заменить человека у сборочного конвейера роботом. Насколько полезными окажутся описанные здесь подробности процесса обучения?
Ученье — свет! Но этот «свет» не поддается количественному измерению, его нельзя так просто перевести в числа, закодировать и запомнить в программе управления роботом. Для робота те операции, которые выполняют операторы-сборщики, слишком «человеческие», им научить люди его не могут, они знают, что нужно сделать, но во многих случаях не знают, как это должен делать робот.
Один из создателей кибернетики, профессор Норберт Винер, в своей книге «Творец и робот» писал: «Главное из преимуществ мозга перед машиной — способность оперировать с нечетко очерченными понятиями. Наш мозг свободно воспринимает стихи, романы, картины, содержание которых любая ЭВМ должна была бы отбросить как нечто аморфное».
Умение оперировать с нечетко очерченными понятиями Н. Винер считал не просто одним из преимуществ естественного интеллекта перед ЭВМ, а главным преимуществом! Эта точка зрения была им сформулирована свыше десяти лет тому назад, но вряд ли сегодня можно противопоставить ей иную, вряд ли можно предсказать, когда машина научится, подобно человеку, увязывать возглас собеседника: «Вот это да!!» с содержанием беседы и получать совершенно четкое представление о его отношении к существу этой беседы.
Ученье — свет только в тех случаях, когда его методы хорошо согласованы с возможностями и способностями обучаемого. В противном случае это не свет, а сплошная тьма.
Человеком управляет разум, автоматом — программа. Именно это различие всегда определяет различие между процессом, выполняемым с участием человека, и процессом, полностью автоматизированным.
Когда возникает задача полностью автоматизировать процесс обслуживания станка, то при ее решении прежде всего необходимо согласовать уровень организации всего процесса в целом с возможностями создаваемой системы автоматизации. В нашем случае — уровень организации «рабочего места» робота с его собственными возможностями.
Две различные точки зрения возможны при решении задачи такого согласования.
Одна основывается примерно на таком рассуждении: «Понятно, что робот не человек! Но все-таки очень желательно, чтобы робот заменял человека у станка. Токарь брал заготовки из ящика, и пусть робот сам разбирается, как они там лежат, и пусть берет их оттуда, как хочет. В общем, пусть все проблемы автоматизации решают создатели роботов, чтобы у нас с этими проблемами никаких хлопот не было».
Этой точки зрения придерживаются те, кто находится во власти своих интуитивных представлений о роботе, сложившихся под влиянием фантастических рассказов.
У специалистов по робототехнике общепринята другая точка зрения: «Понятно, что при замене человека роботом возникает ряд проблем. Решать эти проблемы следует, так сказать, с двух концов. Нужно стремиться максимально расширять функциональные возможности робота и вместе с тем так организовывать в каждом случае, у каждого станка его рабочее место, чтобы эти возможности максимально использовать».
Эта вторая точка зрения, очевидно, единственно правильная. Но единственно правильная точка зрения не дает однозначного ответа на вопрос, какова должна быть конструкция, устройство робота.
Пожелания «максимально расширить возможности робота» и «наилучшим образом организовать его рабочее место» весьма нечетко очерчивают, что именно имеется в виду, как именно следует выполнять эти пожелания. Но, несмотря на связанные с этим трудности, уже немало сделано при решении проблемы роботизации.
Первое поколение роботов
Когда говорят о людях одного поколения, то имеют в виду rex, кто жил или живет на протяжении одного и того же исторического отрезка времени. При этом не имеют никакого значения способности, квалификация или обязанности этих людей.
Когда же речь идет о поколении машин, в частности роботов, то характеризуют этим только уровень их функциональности, «квалификацию», а не год выпуска.
Роботы первого поколения не видят, не осязают, у них нет никаких органов чувств, которые бы информировали 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 ему не впрок.
Робот первого поколения — автомат с программным управлением. От всех других таких автоматов он отличается специфическим устройством исполнительного органа — механической руки. Причем число степеней подвижности ее может быть разным в зависимости от 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, мышц, одинаковые системы управления, приблизительно одинаковы даже относительные размеры плеча, предплечья и кисти (в среднем длина плеча составляет 0,46 длины всей руки, предплечья — 0,40, кисти — 0,14; отклонения от этих значений очень невелики, так же как отклонения от средних величин углов поворота в суставах).
В нашем теле отсутствуют сочленения, допускающие полное вращение или значительные поступательные перемещения соединяемых ими звеньев, иначе не могли бы функционировать мышцы, кровеносная, нервная системы.
А вот найти ответы на, казалось бы, естественные вопросы: чем объясняется удивительное постоянство относительных размеров звеньев живой руки, неизменно повторяющихся миллиарды раз, как здесь проявилась мудрость Природы, пока не удалось. Кстати, нигде нет ответа на еще более «простой» вопрос: чем пять пальцев кисти лучше четырех или шести? (Если не считать наивных соображений о том, что четыре пальца мало, а шесть — много!).
Очень полезный в робототехнике сам по себе подход, основанный на методах бионики, на изучении особенностей и свойств естественных, живых систем с целью воспроизведения этих особенностей и свойств в искусственном, неживом, 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 то, что он собирался или собирается делать. На этом уровне бионический подход оказывается чрезвычайно полезным.
Но по мере того, как мы пытаемся проникнуть в глубь изучаемых процессов, переходим от вопроса «что делает?» к вопросу «как делает?», продуктивность бионического подхода, к сожалению, резко убывает.
Чрезвычайно полезно было заметить ту множественность функций, ту универсальность, какая свойственна живой руке, а затем воспроизвести это ее генеральное свойство в механической руке. Но зачем делать механическую руку антропоморфной, зачем навязывать ей структурные, кинематические и другие ограничения, несущественные для механической системы? Зачем ее звеньям придавать относительные размеры, характерные для живой руки, не умея объяснить, в чем их преимущество?
Никто пока не умеет ответить убедительно на эти и многие другие вопросы, касающиеся механизмов управления, обучения и самообучения в живых системах.
Машина не человек. В ней все проще, понятнее. Но машина не таблица умножения, в которой дважды два всегда четыре. Одну и ту же группу задач автоматизации могут успешно решать самые различные роботы, а известное уже сегодня разнообразие и изобилие этих задач дает все основания думать, что вообще не существует одной исключительной конструкции робота, которая была бы наилучшей со всех точек зрения для любых применений.
Опыт Природы, создавшей для всех «человеческих» применений одну единственную конструкцию в виде нашего тела, не убедителен, когда речь идет о роботах.Приведем несколько примеров, иллюстрирующих сказанное.
Одним из первых промышленных роботов был «Версатран». Как и любой другой промышленный робот, он состоял из двух блоков: исполнительного, включающего руку со всеми приводами, обеспечивающими ее движения, и управляющего — в виде отдельного пульта.
Точность и быстрота — очень важные критерии, так как они основа качества и производительности любого труда: и ручного, и механизированного, и автоматизированного.
Когда речь идет о замене коллективов людей, которые трудятся у конвейеров, станков, машин, комплексом роботов, наличие количественных критериев, в том числе критериев точности и производительности, позволяет оценить эффективность такой замены. Но, конечно, в полном объеме такая оценка приобретет смысл, когда роботы заменят десятки и сотни тысяч людей, когда участие роботов в производстве станет массовым. Только тогда можно будет надежно оценить и экономические и социальные последствия роботизации.
Роботы приспосабливают и пытаются приспосабливать для загрузки и выгрузки заготовок и изделий, очистки деталей, сварки и окраски, обслуживания технологических процессов штамповки, литья, прессования, множества самых разнообразных ручных процессов.
Такой технологический отбор позволяет быстро и надежно формулировать все новые и новые требования ко все новым и новым конструкциям роботов первого поколения. И не только к ним, но и к роботам ближайшего будущего, которые должны отличаться более широкими функциональными свойствами, более высокой квалификацией.
При программировании бесчувственного робота подразумевается, что он работает в строго определенных условиях, касающихся и внешнего мира, с которым он взаимодействует. Например, считается, что заготовки, грузы и изделия, которые должен брать робот, всегда оказываются на одном и том же месте, что там, куда он их должен ставить или класть, всегда свободное пространство, и т. д. и т. п. Иначе он и не может работать, поскольку его взаимодействие с внешним миром носит односторонний характер: вся информация, которую несет управляющая программа, направлена из центра на периферию, с пульта управления к механической руке, а извне в процессе работы он никакой информации не получает. Правда, каждое из своих движений робот выполняет по замкнутой схеме, по схеме с обратной связью, но эта обратная связь укороченная: она замыкается внутри системы, не охватывает среду «обитания» робота, его рабочее пространство.
В результате получается, что самые небольшие изменения в окружающей среде могут его моментально сделать непригодным к работе, вывести из строя.
Современный промышленный робот по своей мощности и неутомимости превосходит человеческие возможности. Но неутомимость, сила, разнообразие движений — это ведь черты, характеризующие главным образом механические свойства системы.
Маленькому ребенку можно поручить собрать в коробку кубики, разбросанные по полу. Скорее всего, он выполнит это задание не самым экономным образом, совершит много лишних движений. Но ребенку достаточно указать только цель, а программу действий он вырабатывает сам в процессе достижения этой цели.
Задачу собрать кубики можно поручить и роботу. Если точно указать число и расположение кубиков, а также положение коробки, то с этим заданием он справится лучше ребенка. Но вот если коробки и кубиков не окажется на месте, робот на это «не обратит внимания»: он все равно будет собирать «кубики» (воздух!) и класть «их» туда, где должна быть коробка.
Совершенно очевидно, что для увеличения надежности робота, расширения возможных областей применения, его надо сделать значительно «умнее».
Артоболевский И. И., Кобринзкий А. Е. Робототехника: современное состояние, проблемы. «Вестник Академии наук СССР», № 9. 1974. Беляиин П. Н. Промышленные роботы. М., «Машиностроение», 1975. Кобринский А. Е. Вот они — роботы. М., «Наука». 1972. Патон Б. Е., Спыну Г. А. Промышленные роботы для сварки. «Автоматическая сварка», № 9, 1972.
