ВВЕДЕНИЕ

В.1. Робототехника, мехатроника и информационные системы

Робототехника сформировалась в 60-х годах как наука о технических устройствах, способных работать самостоятельно, принимать решения и заменять человека при выполнении сложных операций. Первый этап развития робототехники был связан, прежде всего, с созданием промышленных роботов, которые получили широкое применение в машиностроении при обслуживании металлорежущих станков, прессов, металлургических агрегатов и др. Одним словом - повсеместно для замены человека при выполнении однообразной, утомительной и зачастую небезопасной для здоровья работы. Роботы первого поколения представляли собой манипуляторы - механические руки, имеющие до шести степеней подвижности и управляемые по заранее составленной программе. Несмотря на то, что в промышленности существует обширная область для применения подобных устройств, довольно быстро выяснились и ограничения. Например, при сборке узла с помощью робота последний должен взять необходимые детали с монтажного стола или с конвейера. Поскольку робот управляется по жесткой программе, местоположение каждой детали и ее ориентация должны быть достаточно точно определены. Поэтому приходилось создавать дорогостоящую оснастку - приспособления, которые специально разрабатывались для того, чтобы правильно размещать и ориентировать детали с той точностью, с которой работает робот.

Эта особенность существенно отличает работу роботов первого поколения от работы человека, которого робот должен был заменить. Человек, используя зрение, слух, осязание легко выполняет аналогичные действия и в том случае, когда деталь или заготовка подается с произвольной ориентацией, оказывается несколько смещенной или повернутой. Для жестко запрограммированного робота это невозможно в силу того, что, используя аналогию с человеком, он слеп и бесчувственен.

Именно отсутствие органов чувств у промышленных роботов первого поколения привело к кризису в мировой робототехнике к концу 80-х годов XX века. Имеющиеся образцы промышленных роботов быстро закрыли ту нишу, в которой их применение было экономически оправданным, в то же время надежных и недорогих роботов, способных видеть, чувствовать и приспосабливаться (адаптироваться) к изменяющейся обстановке еще не было. Повсеместно упало производство промышленных роботов. Только к середине 90-х годов положение начало понемногу исправляться благодаря тому, что на рынке передовых промышленно развитых стран - Японии, США, Германии появились новые промышленные роботы, оснащенные сенсорными устройствами и способные к адаптации.

На рубеже веков робототехника стала широко внедряться в непромышленные сферы человеческой деятельности. Это спасательные работы на месте техногенных аварий и катастроф, разведка полезных ископаемых на морском дне, работы в космическом пространстве, борьба с терроризмом, обезвреживание взрывоопасных предметов и т.п. Роботы начали успешно применяться в медицине для решения задач диагностики и дистанционной хирургии. Подобные роботы вообще не могут выполнять своих функций без технического зрения, тактильного ощущения, оценки развиваемых сил и моментов. Поэтому их появление и активное применение было связано с разработкой надежных сенсорных систем.

Сейчас, наряду с робототехникой, часто употребляется термин «мехатроника» . Этот термин появился примерно в 80-х годах ХХ века, в известном смысле как развитие понятия «электромеханика» [ ]. Различие этих, на первый взгляд тождественных понятий, заключается в разном уровне используемых электронных решений. Мехатроника предполагает непосредственное внедрение микроэлектронных систем в систему управления, в некотором роде синтез электроники и механики, позволяющий создавать эффективные регуляторы. В дальнейшем термин «мехатроника» был существенно обобщен, в результате чего к мехатронным системам стали относить практически любые сложные технические системы, содержащие механическую и электронную часть и управляемые компьютером. В результате роботы также оказались мехатронными системами. Однако, термин «мехатроника», конечно, шире; к этой области относятся и такие системы, которые не являются робототехническими, например, системы управления комплексами технологического оборудования, обрабатывающие центры, или системы поддержания заданной температуры в помещениях крупного здания. Функционирование рассмотренных систем связано, в том числе, и с выполнением разнообразных измерений, для чего они также оснащаются соответствующими сенсорными устройствами.

Таким образом, можно констатировать, что направление создания информационно-сенсорных систем является самостоятельным и имеющим очень широкое применение и в робототехнике и в мехатронике. Здесь надо упомянуть, что его возникновение не связано непосредственно с этими науками. Процесс управления предполагает наличие обратной связи, а ее реализация требует датчиков обратной связи, измеряющих регулируемые параметры - координаты, скорости, температуру и т.п. Правильнее говорить о том, что наука о технических измерениях в процессе своего развития вступила в новую фазу, чему способствовало применение сенсорных устройств в мехатронике и робототехнике. Эта новая фаза состоит в переходе от датчиков к сложным измерительным системам, которые в большинстве случаев предполагают довольно сложные способы обработки информации, поступающей от этих датчиков. Примером здесь может быть система технического зрения робота. Функциональное отличие такой системы состоит в том, что она позволяет получать комплексную характеристику окружающей обстановки. Таким образом, в робототехнических и мехатронных системах наряду с датчиками состояния системы, характерных для любых систем управления появляются датчики состояния внешней среды.

Мы использовали еще один ключевой термин - информация. Этот термин является одним из наиболее часто употребляемых понятий современной науки и техники. Однако до сегодняшнего дня не существует даже общепринятого определения этого понятия. В различных отраслях знания термин «информация» трактуется по-своему, и даже в технике имеется много разных формулировок. Приведем лишь наиболее известные. Итак, информация - это:

• обозначение содержания, полученного от внешнего мира в процессе приспособления к нему (Н. Винер);

• отрицание энтропии (Л. Бриллюэн);

• коммуникация и связь, в процессе которой устраняется неопределенность (К. Шен­нон);

• передача разнообразия (У. Эшби);

• мера сложности структур (А. Моль);

• вероятность выбора (А. Яглом);

• совокуп­ность некоторых данных, сведений о системе, переданных ею в виде сообщения другой системе в про­цессе свя­зи (Кибернетическая энциклопедия, [ ] стр. ).

Заметим, что последнее определение является практически дословным переводом латинского термина informatio, что означает «сведения». В современной науке мысль о том, что информацию следует рассматривать как нечто самостоятельное, возникла в начале 50-х годов ХХ века вместе с кибернетикой, изучающей процессы управления и развития любых систем. Родоначальник кибернетики профессор Массачусетского технологического института (США) Н. Винер считал информацию ключевым понятием новой науки. Среди ученых, чьи идеи легли в основу новой науки, Н. Винер называл Платона, А. Ампера и Д. Максвелла, отмечая особое значение работ советских математиков Н. Бо­голюбова и А. Колмогорова. По словам Колмогорова цель кибернетики заключалась в «изучении систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования» [ ]. Информационное обеспечение подобных систем уже не могло рассматриваться отдельно от структуры и свойств последних. Система поглощает информацию из внешней среды и использует ее для выбора правильного поведения. Информационные потоки начинают циркулировать по цепям управления. Прибором, передающим информацию в контур управления, является датчик, от характеристик которого в значительной степени зависит и качество управления.

Остановимся немного подробнее на истории вопроса, перечислив основные вехи, связанные со становлением теории и практики информационных систем.

Итак, история активного использования информации для задач управления насчитывает всего 50 лет. Однако первые регуляторы и датчики появились гораздо раньше. Так, сведения о регуляторах содержались еще в материалах Александрийской библиотеки, сгоревшей в средние века. Первые промышленные датчики также по­явились давно, и одним из первых был, по-видимому, механический датчик, установ­ленный в «автоматичес­ком суппорте» (токарно-копи­ро­валь­ном станке) Нар­това 1720 г. Первый электрический датчик - электро­маг­нитное реле Шеллинга появился в 1830 г., а электромеханический (рельсо­вый индика­тор) - в 1880 г.

В дальней­шем, датчики систем автомати­ческого регулирования развивались по пути измерения одного из пара­метров объекта регулирования (угла, дав­ления, температуры и т.д.), что позволило строить следящие системы уп­равления за­данным параметром (к середине XX века). В эти годы начали появляться первые копирующие манипуляторы, а в 1954 г. американцем Д. Деволом был получен патент на первый программируемый манипулятор: «про­грам­мируемое шарнирное устройство для переноски». В конце 50-х годов им же, совместно с Д. Энгельбергером, была организована фирма «Unimation», которая в 1959 г. выпустила пер­вый промыш­лен­ный робот Uni­mate. Этот робот содержал контур обратной связи по положению - перемещение звеньев мани­пулятора измеряли датчики угла. Датчики угла и линейного перемещения и сегодня составляют основу информационного обеспечения робототехнических и мехатронных систем. В середине 60-х годов стало очевидно, что гибкость программируемых роботов может быть повышена при использовании систем очувствления, основанных на применении «датчиков среды ». Первая система такого типа - тактильная, была разработана Х. Эрнстом в рамках проекта «Mechanical Hand -1». Она по­зволяла роботу укладывать кирпичные бло­­ки без помощи оператора. Наконец, в начале 70-х годов по проекту «Stanford Arm» группа Р. Пола создала мультимодальную информационную систему «глаз-ухо-рука», содержащую тактильные, лока­ционные и визуальные датчики.

Эти пионерские разработки, в целом, и обосновали эф­фективность использования ин­формационных средств в ав­томатическом и роботизирован­ном производстве.

В.2. Основные понятия и определения

Р ассмотрим некоторую активную систему D, взаимодействующую с внешней средой E. Предполагается, что эта система имеет априорную информацию о среде I_a, и в процессе функционирования получает текущую ин­формацию  I_p как о внешней среде, так и о собственном состоянии (рис. В.1). Целью системы  D является принятие решений, свя­занных с преобразованием или анализом внешней среды  E. В общем случае, информация, имеющаяся в распоряжении системы D, является неполной; в этом случае говорят, что система находится в условиях неопределенности. Тогда под адаптацией будем понимать способность активной системы D достигать заданных целей в условиях неопределенности, на основе ис­поль­зова­ния текущей информации I_р о собственном состо­янии и состоянии системы E. При этом в системе D могут изменяться ее параметры K_i, структура и алгоритм функционирования.

Следовательно, адаптивная система - это система, которая может приспосабливаться к изменению внутренних и внешних условий. Простейшей адаптивной системой может считаться система с обратной связью (сле­дящая система).

В настоящее время применительно к системам управления адаптацию часто рассматривают с двух позиций. Об адаптации в «широком» смысле можно говорить в том случае, когда адаптивные (очувствленные) системы уп­рав­ления име­ют в своем составе сенсорные устройства, обес­печивающие получение ин­форма­ции I_p о состоянии среды или свой­ствах объектов. Эти данные ис­поль­зу­ют­ся для решения задач, связанных с формиро­ванием уп­рав­ ления системой.

Адаптация в «узком» смысле соответствует случаю, когда адап­тив­ные (обучающиеся) системы уп­равления испо­ль­зу­ют адаптивные алгоритмы, способные из­ме­нять­ся под воздействием текущей I_p или обу­ча­ю­щей I_a ин­формации от сенсоров.