Роботы в действии

Роботы в действии

Прошло всего два года после извержения вулкана, и никто не знает, когда будет следующее. Но существо продолжает спускаться на дно кратера, чтобы провести там целую неделю.
Оно изучает пробы газа лазерным измерительным прибором и передает изображения видеокамере, которую имеет при себе.
Восьминогое существо — это робот по имени «Данте II», устройство из металла, моторов и микрочипов, Энергию оно получает по тянущемуся за ним кабелю, приказы — через спутник.
Разумеется, «Данте II» со своими трубами-ногами и металлическим корпусом не похож на робота из научно-фантастических фильмов. По сравнению с ним Рч202 и С3РО из «Звездных войн» кажутся хорошо знакомыми существами. «Данте II» — представитель класса экспедиционных роботов.
Они предназначены для того, чтобы проникать в места, недоступные ь для человека, например, в атомные    реакторы. Приборы с глазами-камерами и механическими захватами, которые на колесах или на гусеничном ходу катятся через ходы и туннели, выполняют работы по техническому уходу и контролю.
Их использование началось после атомной катастрофы в Гаррисбурге. И в Чернобыле работали механические помощники. Первыми роботами, которые тогда исследовали атомные реакторы, дистанционно управляли с помощью длинного кабеля.
Поэтому специалисты в этом случае говорят не о роботах, а лишь о манипуляторах. Но с развитием микроэлектроники устройства наделили возможностями автоматически производить простые движения. «Штурманам» нужно только давать общие команды — типа «затяни тот болт» или «возвращайся». Прибор сам найдет путь.
Доставлять людей на другие планеты опасно, но прежде всего дорого. С помощью роботов можно исследовать Вселенную, затратив на это гораздо меньше средств: им не требуются дорогостоящие меры безопасности и обратный билет. Американское ведомство по космическим исследованиям NASA уже достаточно давно работает с автоматическими космическими зондами — например, зонды «Вояджер» передавали на землю красочные изображения Юпитера и Сатурна. Миниатюрный робот «Sojourner» в 1997 году побывал на Марсе; он проводил химический анализ осколков камней и передавал на землю снимки. Его возможности были довольно ограничены, ему требовался минимум самостоятельности, т.к. время прохождения радиосигналов между Красной планетой и Землей достигало 40 минут. Для выполнения заданий на поверхности далеких планет роботам нужно гораздо больше возможностей. Учитывая скорость прохождения сигнала между планетами, приборы с дистанционным управлением не могут выполнить большую работу и реагировали бы слишком медленно на внезапную опасность.
Еще меньше, чем космос, изведаны океаны, которые покрывают три четверти земной поверхности. В середине 1998 года институт в Фуртванге не отправил в кругосветное путешествие тримаран «Relationship» — первый робот под парусом. Радар, спутниковая  навигация   и   эхолот контролировали маршрут, моторы приводили в движение руль и паруса. Центр управления в Фуртвангене постоянно находился на связи с «кораблем-призраком» через спутник и в ходе всего плавания получал с борта видеоматериалы.
В глубины морей, по представлениям ученых из американского исследовательского центра Massachusetts Institute of technology, скоро проникнет целая флотилия миниподводных лодок. Транспортные средства будут получать энергию благодаря разнице температур в разных слоях воды и поэтому годами смогут быть в пути — чтобы исследовать морское дно, контролировать подводные нефтепроводы, замерять течения и собирать данные о температурах и солености воды и через спутник передавать данные океанологам.
Уже сегодня экспедиционные роботы более совершенны в сравнении с промышленными роботами, которые упаковывают пакеты, сваривают автомобильные детали, монтируют или красят их. Почти 800 ООО из них работают по всему миру на предприятиях, большинство ( более 60 %) в Японии, далее в США и Германии (10 %), где промышленных роботов почти поровну. Однако число роботов неуклонно растет, поскольку цены на них постоянно падают, а их производительность повышается.
Более старые модели сегодня уже трудно назвать роботами. В принципе они сборочные машины с компьютерным управлением, с большой точностью повторяющие предписанные движения. Кроме рычагов и инструментов, у них есть еще и память. В массовом производстве таких «мастеров повторять» и сегодня еще можно часто встретить. Как идеальный рабочий на конвейере, они день за днем выполняют одни и те же операции и не устают.
Однако прибор перестает действовать, если, например, деталь лежит не так, как обычно. А если лист жести будет немного погнут, они выполнят точечную сварку в неправильных местах. Они не способны адаптироваться к изменившейся ситуации, потому что у них нет органов чувств, которые давали бы им информацию о внешнем мире.
Это, конечно, означает, что они не пригодны для многих видов работ. Если роботу нужно тянуть за собой кабель поверх автомобильного кузова, то он должен уметь проверять, как при этом движется гибкая жила, где она провисает и не натянута ли слишком сильно. Для подобных задач у современных роботов есть сенсоры — искусственные органы чувств. Они воспринимают сигналы из внешнего мира и передают их в управление робота.
Вероятно, самые простые сенсоры — маленькие переключатели на руке робота, соединенные с выступающими концами клавиш, которые действуют как усы у кошки. Если они касаются какого-либо предмета, то срабатывает выключатель, и робот останавливает руку.
Более чувствительны тензодатчики. Их можно, например, приклеивать на металлическую руку робота. Они изменяют свое электрическое сопротивление даже при незначительном растяжении или сжатии. С их помощью робот может измерять силы, действующие на него, например, вес груза, который он несет.
Без контакта работают оптические чувствительные элементы. Они, например, позволяют мобильным роботам приближаться к источникам света или избегать их.
Невозможно описать все области применения сенсоров. Почти каждый вид измерительного прибора можно комбинировать с роботами и сделать их восприимчивыми к волнам радаров или магнитным полям, температурам или радиоактивным излучениям, ядовитым газам или шумам.
Гораздо труднее удается роботам овладеть способностью видеть. Собственно, не проблема оснастить приборы крошечными камерами. Уже несколько лет как они могут довольно хорошо различать изображения и, например, молниеносно проверять, хорошо ли вымыты бутылки, насколько правильно положение детали (заданное в ЗУ) или выглядит ли место пайки должным образом. С помощью обработки изображения уже можно позволить роботам протягивать кабельные жилы.
Но зрение в окружающем нас мире ставит совершенно иные задачи. Автомобиль, самостоятельно находящий путь, намного облегчил бы вождение. Перед «мозгом» машины стояла бы задача: из путаницы линий, теней и сотен цветовых пятен, которые ему сообщают вмонтированные на ветровом стекле камеры, определить направление дороги, возможные помехи и другие автомобили — и это во время движения машины, то есть молниеносно. Такие приборы для обработки изображений уже работают в опытных образцах автомобилей. Они «узнают» отдельные объекты, рассчитывают их положение и траекторию движения и держат их в поле зрения. Как и водитель автомобиля, который воспринимает только форму проезжающих мимо автомобилей и не обращает внимания на такие мелочи, как внешность водителя или положение радиоантенны, система сокращает восприятие объектов до самых необходимых деталей — это хоть и незначительно, но уменьшает необходимые усилия для расчетов. А так как дороги строятся по определенным законам, то системе можно задать «идею оформления» дороги, и она постоянно будет проверять изображение, передаваемое камерой, и сможет не только держаться на полосе, но и «узнавать» пересекающие ее улицы и правильно поворачивать за угол.
Уже долгие годы крупные производители автомобилей работают над созданием подобных систем; сегодня быстродействия обычного ПК достаточно для выполнения такой задачи.
Еще до 1997 года, например, опытная машина VaMP проехала 1600 км по автобану от Мюнхена до датского Одензе на 95 % самостоятельно и при этом даже обгоняла другие автомобили с автоматическим управлением, ехавшие со скоростью 130 км/ч. «VITA-11» Даймлер-Бенца даже при такой скорости может еще различать дорожные знаки и молниеносно реагировать на внезапно возникающих пешеходов.
В цехах, коридорах и на дороге нет больших проблем с движением роботов: их ставят на колеса, на гусеницы или ролики, приводимые в движение от электродвигателей. Совсем другое дело, когда роботы должны работать в непроходимой местности, как, например, экспедиционные роботы. По большей части лишь 2 % местности доступны для колесного транспорта. Каждая помеха, высотой с колесо, мешает дальнейшему продвижению робота. Выход был найден в изобретении, которое природа совершила еще миллионы лет назад. Это ходьба.
Правда, у роботов с этим довольно большие проблемы. И дело не в том, что трудно сконструировать ноги, которые могут подниматься, делать шаг вперед и снова опускаться. Можно даже так запрограммировать компьютер, чтобы он в определенном темпе управлял движением каждой ноги. Проблема в том, что пока «мозг» компьютера будет еще только высчитывать шаг, двуногий жестяной парень успеет перевернуться. Поэтому роботов ставили на 6 или даже 8 ног. Это гарантирует устойчивость во время проведения расчетов. Трудности возникают, когда появляются препятствия, например скалы. Тогда роботу нужно сначала проверить каждой ногой, может ли он туда ступить, насколько сильно может продавиться почва и не попадет ли он на край скалы, рискуя с нее упасть. Если же это место окажется неподходящим, то нога должна найти другое место. Для этого требуется большое количество чувствительных сенсоров и быстродействующих компьютеров, которые могут правильно обрабатывать сигналы.
Похожие проблемы создают и наклонные поверхности. Даже восьминогий экспедиционный робот «Данте 11» споткнулся на обратном пути из кратера, упал «на спину», и его пришлось спасать с помощью вертолета. К тому же по скорости передвижения восьминогий увалень не может сравниться с человеком. «Данте», например, карабкаясь из одного надежного места в другое, преодолевал всего 54 метра в час, идущий же пешком человек в состоянии пройти за это же время 5000 метров. Причина этого в динамике нашей ходьбы. Сначала мы выбрасываем вперед одну ногу, перенося в нее вес тела; затем подтягиваем другую ногу, распределяя вес так, чтобы сделать невозможным падение. Благодаря сенсорам в ногах и ступнях и нашему чувству равновесия мы редко падаем. Робота очень сложно научить этим приемам. В конце 90-х годов XX века японская фирма «Хонда» создала похожего на человека двуногого робота весом 210 кг, который может подниматься по лестнице и не падает даже при столкновении.
Наши руки — это те инструменты, которые мы используем для различных целей. Природе понадобилось почти 500 миллионов лет, чтобы пройти путь от грудных плавников древних рыб до рук человека. Мы можем дотронуться так нежно, что не нанесем вреда даже самому чувствительному    насекомому, а можем схватить крепко, прикладывая немалые усилия. Кроме того, мы в состоянии двигать каждым пальцем отдельно и повернуть всю ладонь в запястье под углом 200 градусов. Огромное количество нервных окончаний, прежде всего на подушечках пальцев, делают руку самым важным органом осязания. Мы ощущаем, гладкая поверхность или шероховатая, мягкая или твердая, теплая или холодная, липкая, сухая или влажная. А мозг все эти сигналы молниеносно обрабатывает и управляет движениями суставов и костей, сухожилий и почти 80 мускулов, играем ли мы на пианино, поднимаем булавку или рубим дрова.
Специалисты годами работают над созданием рук роботов, которые бы выполняли самые разные задачи. Все начиналось уже с привода. Маленькие электромоторы сообщали движение через канатные тяги или штанги «суставам» пальцев. К очень технологичным _ моделям относится разработанная в Немецком центре воздушного и космического сообщения (ОРч1) рука ОРч1_-4. У нее есть три пальца плюс большой палец, и она работает с помощью «искусственных мускулов»: крошечных электромоторов со встроенными коробками передач. Ог1-4 — первая рука, у которой привод встроен в ладонь и в запястье, а не в предплечье. В искусственных руках в качестве сенсоров чаще всего используют тензодатчики, они измеряют в нескольких местах давление, действующее на пальцы, и силу, с которой захватывают или вращают предмет.
В подушечках пальцев имеются крошечные оптические измерители расстояния. Каждый из четырех пальцев содержит 28 таких сенсоров, а в целом искусственная конструкция состоит из более чем 1000 механических и 1500 электронных деталей.
Это древняя мечта человека: иметь помощников, которые освободили бы его в любое время от неприятной или опасной работы, которые были бы надежнее, способнее и дешевле, чем слуги-люди. Возможно, эта мечта когда-нибудь осуществится. Но до настоящего робота-слуги пока еще далеко: металлические ребята хотя и могут играть в шахматы наравне с чемпионами мира и запоминать огромные объемы информации, в других областях отстают от любого малыша — например, в умении говорить, видеть, понимать речь и реагировать на неожиданные события. Это зависит не столько от достижений техники, сколько от удивительных способностей человеческого тела.
Но не только микроэлектроника шагнула вперед, быстро развивается также и «мехатроника», куда входят микроэлектроника, механика и информатика. Благодаря ей в будущем, возможно, удастся снабдить роботов интеллектом и органами чувств, руками и ногами.
Но и уже сейчас нашли применение простые сервис-роботы. В некоторых больницах США создан самоуправляемый помощник по имени Help Mate, который снабжает пациентов едой и почтой и доставляет лабораторные образцы и белье. Полностью автоматические роботы-уборщики драят полы, ловко обходя препятствия. Другие механизмы приносят теннисные мячи или патрулируют музеи или офисные здания в качестве ночных сторожей.
Особенно охотно используют новую технику японцы. На стройках островной империи роботы наносят и разравнивают бетон, подносят камни, красят фасады, асфальтируют дороги. Некоторые крупные строительные предприятия имеют на службе целые полки роботов, которые собирают высотные здания этаж за этажом.
В Германии в научно-исследовательском центре Карлсруэ, идет работа над созданием робота «KARO», который должен проверять канализационные каналы и сообщать о неполадках. В институте производственной техники и автоматизации Фраунхофера (Штутгарт) роботы могут класть плитку и наносить раствор. «Даймлер-Бенц», «Арал» и БМВ совместно разработали автомат, который на заправочных станциях заливает бензин в машины клиентов.
По предположению исследователей будущего, после 2010 года в продаже могут появиться универсальные роботы для дома и офиса, которые автоматически ориентируются на месте, чистят, варят, приносят завтрак в постель и благодаря связи с Интернетом по телефону сообщают нужную информацию. Даже несмотря на то, что исследователи будущего часто ошибались,   _ интерес к таким приборам есть, тем более ‘ что цены, благодаря развитию  микроэлектроники и изготовлению механических деталей с помощью роботов, держатся в определенных границах. Однако существует опасность того, что появление большого числа роботов приведет к значительной потере рабочих мест. Собственно, у людей творческих и разрабатывающих новые проекты и в будущем будет достаточно дела. Для них компьютеры и роботы всего лишь вспомогательные средства, которые освобождают их от побочных видов деятельности, занимающих много времени.
Но рабочим местам, где выполняются однообразные повторяющиеся операции, грозит  опасность исчезновения.
Иные роботы выполняют некоторые действия лучше людей. Особенно это касается медицины. Многие немецкие клиники установили у себя операционный робот «Caspar». Похожие роботы делают операции на мозге человека: благодаря заложенным в памяти данным они так ведут скальпелем по ткани мозга, чтобы как можно меньше ему повредить. Ученые работают и над созданием компьютеризованных протезов. Американский специалист по робототехнике Марвин Мински смотрит на проблему глобально: почему бы не применить искусственные ЗУ в мозге человека? Искусственная память могла бы освободить нас от заучивания огромного количества информации. Ее емкость была бы практически безгранична, и в самое короткое время можно было бы загрузить в нее любой научный материал. А наш мозг в это время оставался бы свободен для творческого мышления.