Знакомьтесь - роботы!

У конвейера и станка

Вы видели когда-нибудь, как работает сборочный конвейер на автомобильном заводе? Как движется вдоль линии длиной в добрый километр с лишним сначала один только кузов автомобиля, как он по дороге обрастает десятками, сотнями, тысячами узлов, деталей, как со всех сторон, с боков и сверху на тележках и противнях, по транспортерам, установленным на полу, подвешенным к потолку, укрепленным на колоннах, поступают на сборку двигатели, трансмиссии и колеса, болты, гайки и прокладки, стекла, сиденья и задние мосты, рычаги, муфты, трубки? Не имеет смысла перечислять здесь и малую долю из сотен названий всего того, что нужно, чтобы с конвейера в конце концов сошел готовый автомобиль. Минута — автомобиль, еще минута еще автомобиль, автомобиль, автомобиль…

Вы были на таком конвейере? Ну тогда вы, конечно, видели, что автомобиль собирают люди, много людей — операторов-сборщиков. Весь процесс сборки до самой мелочи расписан и "разрублен", поделен на операции, каждая операция поручена отдельному оператору, иногда двум операторам.

"Минута — автомобиль" означает, что каждую минуту человек должен начать порученную ему операцию, а по истечении минуты закончить ее. Конвейер это вам не мастерская средневекового часовщика, который все делал сам. На конвейере специализация: минута — операция, еще минута — еще операция. Прошло два часа — десять минут отдыха, а затем: минута — операция, еще и еще.

За минуту много не сделаешь. Можно установить пару колес, надев их на шпильки и затянув гайки; можно присоединить рычаги педалей газа и тормоза; можно протереть стекла салона, поставить сиденье… Каждая операция рассчитана на то, чтобы человек мог ее выполнить за минуту.

Двигатели и колеса, кузова и задние мосты пришли на главный конвейер с других конвейеров, где их собирали из отдельных узлов и деталей. И там процессы сборки поделены на сравнительно простые, короткие операции: минута или две — операция, еще минута — операция… И там эти операции тоже выполняют люди — сборщики.

Узлы и детали, поступившие на сборку, были изготовлены в цехах автомобильного завода и на других заводах: электроаппаратуры и пластмасс, резиновых изделий и стекла. А процессы их изготовления тоже "разрублены" на простые, короткие операции.

Так же обстоит дело на заводах, где производят мотоциклы и велосипеды, телевизоры и радиоприемники, швейные машины и книги. И там процессы изготовления деталей и сборка узлов и изделий поделены на операции, на более короткие или менее короткие.

Но, конечно, современное производство не средневековая мастерская, где все делалось руками. В наше время основную, тяжелую, трудоемкую работу по изготовлению деталей и изделий делают машины и автоматы. Однако невозможно построить одну такую машину или автоматическую линию, которая бы изготовила часы целиком, с начала до конца, совершенно без участия человека. Именно поэтому технологические процессы изготовления изделий, как и процессы сборки, поделены на операции, которые выполняют то люди, то машины.

Теперь часы, все их части и детали проходят через десятки, сотни машин и рук, так же как через сотни машин и рук проходят детали и узлы автомобиля, телевизора, пылесоса.

Миллионы разных деталей нужно обработать, миллионы разных операций нужно выполнить; обработать и выполнить их нужно миллионными "тиражами", чтобы произвести миллионы автомобилей, велосипедов, радиоприемников, других изделий массового производства, нужных миллионам людей.

Множество других изделий надо выпускать меньшими "тиражами". Но во всех случаях для их производства нужны машины, а для обслуживания машин нужны люди! люди!

Наш век — век автоматизации, но в то же время он век необычайного расширения производства. Автоматизация сделала уже много, чтобы освободить людей от тяжелых обязанностей по обслуживанию машин, но этого "много" еще очень мало, если учитывать потребности общества сегодня, а тем более завтра.

Миллионы людей сегодня работают у машин, станков, конвейеров, выполняя однообразные операции, утомительные своей монотонностью, подчас требующие значительных физических усилий: установил заготовку, снял изделие операция, еще минута или две — еще операция, и еще.

Машины становятся все более квалифицированными и наиболее сложную часть работы по изготовлению изделий выполняют автоматически. А человеческий труд, необходимый для их обслуживания, оказывается все более простым, менее квалифицированным. Чем шире развертывается механизированное и автоматизированное производство, тем большей оказывается потребность в таком труде — однообразном, утомительном.

Нет, конечно, славная профессия 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, — это профессия не исчезла Но масса машин и автоматов сегодня требует такого обслуживания, когда неинтересную, однообразную часть работы приходится выполнять человеку.

Не правда ли, это, по крайней мере с первого взгляда, кажется странным? Ведь если создают множество машин и автоматов, которые самостоятельно, без участия человека, производят множество сложных и точных операций, то, казалось бы, дополнить можно их и такими устройствами, которые выполняли бы и эти однообразные, утомительные операции автоматически. Которые, например, сами брали бы заготовки, сами их как надо устанавливали, сами снимали затем готовые изделия. Почему же не строят машины с таким самообслуживанием?

Все дело в том, что операции обслуживания машин, станков, различного оборудования, множество сборочных операций оказываются простыми, только когда их выполняет человек. Если же их пытаются автоматизировать обычными традиционными методами и средствами, то в конечном счете система автоматизации получается либо очень специализированной, пригодной, например, для манипулирования только одним определенным видом изделия, что ограничивает универсальность самой машины, либо эта система, будучи более универсальной, оказывается очень сложной, подчас более сложной и дорогой, чем сама машина.

Одним словом, действия и движения оператора при обслуживании машины настолько "человеческие", что для их автоматизации нужны специальные автоматы, роботы, или, как их называют, промышленные роботы.

Множество производственных процессов складывается из циклически повторяющихся операций. Цикличность — закон машинного, автоматизированного производства. Робот, как любой другой автомат, также предназначен для выполнения циклически повторяющихся действий. В этом смысле у него полное "родство душ" с любой машиной, какую ему поручат обслуживать.

Вместе с тем промышленный робот является системой универсального назначения. Его официальное название — автоматический манипулятор с программным управлением. В силу универсальности один и тот же робот можно использовать для обслуживания разных станков и машин, разных технологических процессов.

И наконец, робот обладает тем, что отличает его от всех других автоматов и что сближает его с человеком-оператором, то есть механической рукой, которая умеет совершать движения и действия, похожие на человеческие.

Смутные понятия технологии

Простая деталь — ступенчатый валик. Вот токарный станок, за которым работает токарь. Справа от него на полу стоит деревянный ящик с заготовками, лежащими в нем навалом. В заготовительном цехе их нарезали из круглой стали, обработали торцы так, чтобы заготовку можно было легко установить на станок. Слева от токаря, на инструментальном ящике, противень для обработанных валиков.

Токарь, не глядя, берет заготовку из ящика, устанавливает в зажимное приспособление и включает станок. Когда обработка заканчивается, он выключает станок, обработанное изделие кладет на противень.

Лет 40 тому назад операции установки заготовки и снятия изделий были только побочными, вспомогательными. Токарь — квалифицированный мастер, специально обучавшийся своему делу в течение двух-трех лет, выполнял много других главных операций по управлению станком, по контролю точности его работы. О простых, вспомогательных операциях возникала речь, лишь когда вес заготовок достигал 10–20 килограммов и операции по установке и съему заготовок и изделий приходилось механизировать в соответствии с требованиями техники безопасности и охраны труда. Но все же без главного, без высокой квалификации мастера, было не обойтись! А тяжелый труд? Ничего, казалось, не поделаешь! Ведь не зря же токарь — лицо физического труда.

Технологическая подготовка производства была предельно проста. Кончив обработку партии одних деталей, токарь шел к мастеру, и тот выдавал ему чертеж другой детали, партию которых ему поручалось обработать, и наряд, указывавший фамилию токаря, нормы времени.

Все! Чертеж и наряд содержали полную информацию о том, что и как ему нужно делать дальше. В них содержались совершенно ясные токарю указания о порученной ему работе. И размеры изделия, и допуски, и твердость материала, и технические условия на "биение", "эксцентричность", "перекосы", и нормы и т. д. и т. п.

Указаний о том, что токарь должен брать заготовки из ящика, устанавливать их на станок, снимать обработанные изделия, там не было. Документация адресовалась квалифицированному человеку, который любые указания на эту тему воспринял бы как глупую шутку недостойную внимания.

Если к станку вместо человека становится автомат, дело выглядит совершенно по-другому. Еще тогда, когда промышленные роботы существовали только в воображении их создателей, в чертежах и исследованиях, стало ясно, что нельзя будет просто взять робот за его механическую руку, подвести к станку, вручить ему чертеж и наряд, уважительно, как человеку, сказать:

"Ну, ПР-2816! Беритесь за дело, теперь на вас вся надежда!" — и спокойно уйти. Вы спокойно уйдете, а он будет спокойно стоять, ничего не делая!

У средневекового мастера вся технология была в уме, а также в словах и в палке, с помощью которых он ее растолковывал нерадивым подмастерьям. 50–40 лет назад для организации производства было достаточно маршрутной технологии, чертежей и нарядов. Ведь тогда вся документация адресовалась человеку, которому все было ясно!

Ученик, подмастерье, мастер, любой человек обладает способностями понимать, запоминать, сопоставлять, учиться, использовать в трудовом процессе механизмы своего интеллекта. Каждое новое задание, новая работа обогащают, расширяют опыт, повышают квалификацию. Человеком управляет разум, человек работает "по-человечески". Чем больший опыт он накопит, тем более краткими и общими могут быть указания, тем более сложными — поручения. Он поймет и сделает.

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, управляет логика. Каждое новое задание нужно сопроводить подробной программой. Будь это задание десятым или сотым по счету — все равно! Задание нужно разработать во всех подробностях и записать в коде, понятном системе управления автомата, всем логическим цепям этой системы.

Указания, которых было достаточно человеку, а также все то, что подразумевалось само собой разумеющимся и скрывалось между строками задания, — все это всплывает как совершенно смутные, неконкретные и недостаточно полные понятия технологии теперь, когда к станку становится робот. Даже когда это задание кажется совершенно простым.

Взять заготовку и установить ее на станок? Позвольте! Откуда ее взять! На какую высоту ее нужно поднять? В каких направлениях переместить и на какие углы повернуть, чтобы она стала на место? С какими скоростями она должна двигаться и поворачиваться? Каким образом нужно установить захват, чтобы он мог удобно и точно взять заготовку? И по какой траектории его двигать, устанавливая заготовку?

Вы сами видите, насколько "по-человечески" звучит фраза "установить заготовку", описывающая одну из технологических операций; настолько просто, что ее не имело смысла упоминать в документах. И в какое смутное понятие эта фраза превращается, когда надо автоматизировать "простую" операцию — какое множество дополнительных вопросов сразу возникает!

Технологический процесс, в котором участвует человек, и полностью автоматизированный технологический процесс — это всегда два разных процесса, если даже оба они одинаковы по содержанию, оба, например, имеют назначением обработку ступенчатых валиков.

Разработка каждой новой системы автоматизации сопряжена с необходимостью отвечать на многие вопросы. Но далеко не всегда эти вопросы оказываются такими "неожиданными" и сложными, а автоматизируемые операции настолько мало "пригодными" для этой цели, как при внедрении роботов.

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. Однако все эти вопросы не были неожиданными. Руководством, отвечающим на них, служил чертеж, тот самый, которым руководствовался токарь. В чертеже содержится значительная часть необходимой информации; ее легко перевести в набор цифр, логических действий, записать в коде, понятном станку, как они были понятны человеку.

Станки с цифровым управлением знаменовали важный, но только первый этап комплексной цифровой автоматизации производства. Они не исключили человека из технологического процесса, оставив на его долю "простые" операции, не требующие высокой квалификации, но самые "человеческие" по содержанию.

Промышленный робот может завершить комплексную автоматизацию, освобождая человека от непосредственного участия в процессе производства, оставляя за ним лишь обязанности поддержания и обеспечения бесперебойной работы. На этом этапе автоматизации возникает ряд смутных понятий и вопросов, неожиданных потому, что ответов на них не было ни в какой технической документации и решить их можно было различными путями.

Разум и логика

А что касается процессов сборки, то они до сих пор в большинстве своем представляют собой такую область технологии, которая при любой попытке что-то автоматизировать оказывается полным-полна неясностей и неожиданных сложностей. Неспроста так низок уровень автоматизации этих процессов!

Давайте проследим за тем, как человек осваивает какую-либо сборочную операцию; а вы в уме все время прикидывайте, как робот должен был бы выполнять эту операцию, какую программу действий надо ему подсказать.

На конвейер пришел новичок. Его ставят на простую операцию; период обучения этой операции короток, но он не простая формальность, а необходимый этап достижения мастерства. Хотя у обучающегося есть все, что нужно для качественного и быстрого выполнения операции: детали, инструмент, приспособления, причем все это расположено наилучшим образом, все под руками, — все равно поначалу это непросто. Каждая операция рассчитана на квалифицированного оператора — это значит, что у него гайка на болт "наживляется" сразу, не перекашивается, не заедает; что, устанавливая в кузове автомобиля сиденье, оператор чувствует, когда и где нужно нажать, оттянуть, повернуть, чтобы оно правильно и быстро стало на место; что, присоединяя рычаги, он сумеет быстро найти нужное им положение. Всему нужно научиться, получить навыки.

Ни в одной технологии вы не найдете указания, как наворачивать 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, будет думать, соображать, как ему удобнее, проще, быстрее выполнять эту операцию. Он сам для себя найдет и построит весь набор необходимых действий и движений, сам для себя разработает подробную программу операции, прочно уложит ее в свойственное ему подмножество движений (ведь вы знаете, что два оператора одну и ту же операцию будут делать по-разному, даже если они — вы и ваш папа).

В период обучения мозг человека все время связан со всеми участками рабочего места. Он следит за движением конвейера, смотрит туда, откуда берет деталь, инструмент. Каждому движению предпосылает мысль, взгляд; каждый раз система управления этим движением — система с обратной связью охватывает много подробностей, много объектов. Движения поначалу получаются торопливыми, излишне размашистыми. Каждый раз надо задумываться: подчас не сразу понятно, то ли лучше шагнуть за движущимся конвейером, то ли согнуться, или просто вытянуть руки…

Но вот процесс обучения окончен. Привычные движения очень экономны и не кажутся торопливыми. Глаза лишь иногда, и то 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 скрытых там рецепторов, реагирующих на уровень возбуждения мышц, на растягивающие их усилия (опять темные мышечные чувства!). Теперь оператор действует так же точно и быстро, как все другие члены его бригады, участка, как все операторы главного конвейера.

Вы последовали нашему совету? Следя за рассказом о процедуре обучения, вы прикидывали, насколько полезны все подробности в случае, если возникнет задача заменить человека у сборочного конвейера роботом? Вы не прикидывали, вам трудно? Специалисты по автоматизации очень даже прикидывали и прикидывают!

Ученье — свет! Но этот "свет" не поддается количественному измерению, его нельзя перевести в числа, закодировать и "запомнить" в программе управления роботом. Для робота операции, которые выполняют операторы-сборщики, слишком "человеческие", люди не могут его им научить, они знают, что нужно сделать человеку, но во многих случаях не знают, как это должен делать робот.

Один из первых кибернетиков, покойный ныне 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 назад, но вряд ли сегодня можно противопоставить ей иную точку зрения, вряд ли можно даже предсказать, когда машина научится, подобно человеку, увязывать возглас собеседника "Вот это да!" с содержанием вашей с ним беседы и получать совершенно четкое представление о его отношении к существу этой беседы. А человек увяжет и получит!

Умение человека понимать между строк проявляется не только тогда, когда оперируют такими сложными категориями, как живопись, музыка или поэзия, но и в значительно более простых ситуациях, тех, которые нас больше всего интересуют, которые связаны с нашей трудовой деятельностью.

Ученье — свет только в тех случаях, когда методы ученья хорошо согласованы с возможностями и способностями обучаемого. В противном случае это не свет, а сплошная тьма.

Человеком управляет разум, автоматом — логика. 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, решая ее, 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 техническими характеристиками.

Две различные точки зрения возможны, когда решается задача такого согласования. Одна основывается примерно на таком рассуждении: "Понятно, что робот не человек! Но все-таки очень желательно, чтобы он заменял человека у станка без всяких изменений технологии и оборудования. Токарь брал заготовки из ящика как хотел, и пусть робот сам разбирается, как они в этом же ящике лежат, и пусть берет их оттуда как хочет. В общем, пусть все проблемы автоматизации решают создатели роботов, чтобы у нас с этими проблемами никаких других хлопот не было".

Этого взгляда могут придерживаться те, кто находится во власти своих интуитивных представлений о роботе, сложившихся под влиянием фантастических рассказов. Общепринятой среди специалистов по робототехнике является другая точка зрения, такая: "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 изменять технологию процесса и конструкцию машин и оборудования, так организовывать в каждом случае у каждого станка рабочее место робота, чтобы эти возможности максимально использовать".

Вероятно, мало кто может сомневаться в том, что эта точка зрения единственно правильная. Но она никогда не дает и не может дать однозначного ответа на вопрос — каковы же должны быть конструкция и устройство самого 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. Ученые и инженеры, придерживаясь единого взгляда на подход к решению проблемы роботизации, по разному оперируют с этими нечетко очерченными понятиями.

Тем не менее первые результаты уже налицо. Первое поколение промышленных роботов уже работает у станков, машин, линий, хотя пока еще их немного.

Первое поколение

Когда говорят о людях одного поколения, то имеют в виду группу людей, живущих на протяжении одного и того же исторического отрезка времени, и совершенно не имеют в виду их способности, квалификацию или обязанности, которые они выполняли.

Когда говорят о роботах первого поколения, совершенно не имеют в виду год их выпуска, а характеризуют этим названием только уровень их функциональности, "квалификации".

Роботы первого поколения не "видят", не "осязают", они не имеют никаких "органов чувств — механизмов", которые информировали бы их 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 работы ему впрок не идет.

Робот первого поколения — автомат с программным управлением, отличающийся от всех других таких автоматов специфическим устройством исполнительного органа, представляющего собой механическую руку, обладающую тем или иным числом степеней подвижности в зависимости от ее 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, одинаковые вид и конструкция, одинаковое количество мышц, одинаковые системы управления; мы уже достаточно подробно познакомились с их "техническими характеристиками".

Менее известен тот факт, что у всех людей приблизительно одинаковы даже относительные размеры всех звеньев руки — плеча, предплечья и характерного размера кисти. В среднем у всех людей длина плеча составляет 0,46 длины всей руки, предплечья — 0,40, кисти — 0,14. Отклонения от средних значений у разных людей очень невелики, так же как отклонения от средних величин углов поворотов в суставах.

Отсутствие в конструкции нашего тела сочленений, допускающих относительное вращение или значительные поступательные перемещения сочленяемых звеньев, можно объяснить понятными конструктивными соображениями. Мы это пытались сделать раньше. Что же касается удивительного постоянства относительных размеров звеньев живой руки, неизменно повторяющихся миллиарды раз, то нам не удалось нигде найти ответ на, казалось бы, самый естественный вопрос: чем это постоянство объясняется? Как здесь проявилась мудрость Природы? А кстати, нигде нет ответа на еще более простой вопрос: чем пять пальцев кисти лучше четырех или шести? Даже на этот вопрос вы не найдете ответа, если не считать наивных соображений о том, что четырех пальцев мало, а шести — много!

Мы не напрасно уделяем так много места рассказу об устройстве и свойствах нашего тела. Мы хотим вместе с вами разобраться в том, насколько глубоко и последовательно можно использовать в робототехнике подход, основанный на методах бионики, на изучении особенностей и свойств естественных, живых систем с целью воспроизведения этих особенностей и свойств в искусственном, неживом.

Очень полезный сам по себе, этот подход 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 что он собирался или собирается делать. На этом уровне бионический подход оказывается чрезвычайно полезным.

Но по мере того как пытаемся проникнуть в глубь изучаемых процессов, переходим от вопроса "что делает?" к вопросу "как делает?", так, к сожалению, полезность бионического подхода резко убывает.

Чрезвычайно полезно было заметить ту множественность функций, ту универсальность, какая свойственна живой руке, а затем воспроизвести эти ее "генеральные" свойства в механической руке. Но зачем делать механическую руку антропоморфной, зачем навязывать ей структурные, кинематические, другие ограничения, несущественные для механической системы? Зачем ее звеньям придавать относительные размеры, свойственные живой руке, не умея объяснить, в чем преимущество этих размеров перед какими-либо другими?

Никто не ответит убедительно на эти вопросы, на многие другие вопросы, касающиеся механизмов управления, обучения и самообучения в живых системах.

Машина — не человек. В ней все проще, понятней. Но машина — не таблица умножения, в которой всегда 2х2=4. Одну и ту же группу задач автоматизации могут успешно решать самые различные роботы, а существующее уже сегодня разнообразие и изобилие этих задач дает все основания думать, что вообще не существует одной-единственной исключительной конструкции робота, которая была бы наилучшей со всех точек зрения для любых применений.

Опыт Природы, создавшей для всех "человеческих" применений единственную "конструкцию" в виде нашего тела, не является убедительным, когда речь идет о роботах.

Наша книга не справочник по робототехнике, но два-три примера, иллюстрирующих сказанное здесь, не будут лишними.

Один из первых промышленных роботов — робот "версатран", который до сих пор выпускается в США и в Англии. Он, как и все машины с программным управлением, как все другие конструкции промроботов, состоит из двух блоков: исполнительного, включающего руку со всеми приводами, обеспечивающими ее движения, и управляющего — в виде отдельного пульта.

Описание его устройства и принципа действия, сделанное сухим, техническим языком, выглядит так. Механическая рука с кистью, к которой крепится сменный захват, проходит через прорезь в вертикальной поворотной колонке. Рука имеет три степени подвижности, три управляемых движения: два поступательных — относительно колонны — вдоль и поперек ее оси, и одно вращательное — вместе с колонной. Еще два движения имеет кисть в "лучезапястном" суставе. Шестое движение — открытие-закрытие захвата. Поступательные перемещения рука совершает в пределах 0,75 метра, допустимый поворот колонны — 240 градусов.

Робот "версатран" выпускается в двух вариантах, отличающихся способами программирования и, как следствие этого, функциональными возможностями.

Один из вариантов предусматривает ручной набор программ с помощью специального программного барабана. Набор программы сводится к тому, что включается специальное ручное управление. С помощью отдельного блока, содержащего три вращающиеся ручки, "обучающий" последовательно переводит механическую руку из одной нужной позиции в другую.

Положение руки в каждой позиции "запоминается" в одной из "строк", с помощью специальных штырьков, имеющихся на барабане. Программный барабан при переходе руки из одной позиции в следующую поворачивается на одну строку. Так одно за другим запоминаются последовательные положения руки, строится программа полного цикла ее движения. На этом процесс обучения заканчивается.

При автоматическом воспроизведении программы нажимом кнопки приводится во вращение программный барабан, штырьки последовательно включают приводы, обеспечивающие движения руки в соответствующих направлениях.

Описанный только что вариант управления роботом "версатран" подобен устройству кнопочной системы ручного управления. Разница только в том, что здесь человек только один раз, в процессе обучения робота, "нажимает кнопки" в строках программного барабана, вводя всю программу, а затем эту программу робот может многократно воспроизвести в автоматическом режиме. При этом, как и в системе кнопочного управления, программа управляет только включением и выключением приводов; скорости руки программой не задаются. Такие системы управления называют позиционными.

Естественный отбор

Второй вариант управления роботом "версатран" существенно отличается от первого. Принцип его легко понять, вспомнив устройство магнитофона; оно позволяет с помощью микрофона записать на движущуюся магнитную ленту любую мелодию, а затем воспроизвести эту мелодию с помощью динамика.

Звук на магнитной ленте "запоминается" в форме невидимых глазу магнитных меток. В точно такой же форме на магнитной ленте можно "запомнить" перемещения руки. Каждому из управляемых движений робота можно отвести на магнитной ленте отдельную "строку", причем сигналы в этой строке могут управлять не только включениями и выключениями соответствующего привода, но и скоростью движения руки по этому направлению.

У захвата робота имеется дополнительная рукоятка, предназначенная специально для целей обучения. Руку переводят на "ручное управление". Оператор включает магнитофон на запись программы и начинает двигать захват, воспроизводя все движения, которые должен будет потом повторять робот. Движения захвата то замедляются, то ускоряются, соответственно замедляется и ускоряется работа приводов, все эти изменения регистрируются на магнитной ленте. Цикл обучения на этом кончается.

Затем оператор переключает робот на автоматический режим. С этого момента магнитная лента — результат обучения робота — становится программой его работы.

Систему управления, обеспечивающую возможность произвольно менять скорости движения руки на протяжении всего рабочего цикла, называют системой непрерывного, или контурного, управления.

Позиционная и непрерывная системы составляют два основных типа систем, используемых при создании промышленных роботов. Обучать роботов можно либо так, как мы только сейчас рассказали, то есть вручную отрабатывая всю программу и заставляя робот запомнить ее в той или другой форме, либо можно рассчитать программу, используя необходимую технологическую информацию, и внести непосредственно в память робота, не моделируя ее в форме движений захвата. Для этого также существуют самые различные способы и устройства.

Семейство "бесчувственных" роботов растет. 3500 роботов, которые, по подсчетам специалистов, работали в 1975 году на производстве, — это не 3500 "версатранов". Это многие десятки самых различных типов, вариантов, конструкций роботов и систем управления ими: американские роботы "юнимейт", "тралфа", "велдотрон", "трансива", "мобилити", "флэксимен" и другие; японские роботы фирм "Синко Дэнки", "Курода", "Мицубиси", "Фудзикоси", "Аида", "Токио Кэйки" и т. д.; английские роботы "минитрэн", "минимэн", "машеми"; роботы шведские и др. Все они разные, несмотря на то, что все они обладают специфическими, характерными только для роботов свойствами.

Проблемой создания и внедрения промышленных роботов заняты также и советские ученые и инженеры. Они начали заниматься этим еще в 60-х годах, и в результате ими уже создано много опытных образцов. В числе первых — роботы универсального назначения УМ-1, "Универсал-50", УПК-1. Проблемам робототехники, обещающей освободить человека от утомительного, однообразного, вредного труда, в нашей стране уделяют особое внимание.

Роботы первого поколения сегодня переживают один из самых ответственных периодов своего существования — период внедрения, период "естественного отбора". Идет жестокий отбор их конструкций, причем критерии, по которым он производится, разнообразны и многочисленны — стоимость и универсальность, грузоподъемность и габариты, объем обслуживания и удобство программирования, и, конечно, два чрезвычайно важных критерия, характеризующих точность и быстроту их действия.

Точность и быстрота — основа качества и производительности любого труда — ручного, механизированного, автоматизированного.

Нормы времени и нормы точности в той или иной форме содержатся в любом задании, которое выдается человеку, участвующему в процессе производства, будь то оператор у конвейера, рабочий у станка, электромонтажник или редактор. Эти нормы нисколько не противоречат естественному человеческому свойству работать каждому по-своему — как ему удобнее, привычнее. Производственные нормы не подавляют человеческой индивидуальности, они лишь согласовывают миллионы индивидуальностей, позволяют их соразмерить, правильно оценить, обеспечивают коллективность действий,

Коллективные действия, как и коллективные решения, не есть простая сумма множества в точности одинаковых индивидуальных действий. Это намного сложнее. Это результат множества во многом отличающихся действий, по-разному направленных на достижение одной и той же цели, одного и того же результата. Чем сложнее процесс, который необходимо оценить, тем острее необходимость в точных критериях его оценки.

Точность и производительность — два ключевых критерия, по которым оцениваются главные качества подавляющего большинства новых машин, автоматов, любого производственного оборудования. Эти критерии используют не только для оценки результатов труда человека, но и для оценки результатов работы машины.

Значит, когда речь идет о замене у конвейеров, станков, машин коллектива людей комплексом роботов, наличие количественных критериев, в том числе критериев точности и производительности, позволяет оценить эффективность такой замены.

Но, конечно, в полном объеме такая оценка приобретает смысл, когда роботы заменят десятки и сотни тысяч людей, когда они массами будут работать на производстве. Только тогда можно будет надежно оценить и технические, и экономические, и социальные последствия роботизации производства.

А пока идет первый и самый сложный этап внедрения. Он включает не только естественный отбор конструкций роботов, сопровождающийся "межвидовой борьбой." — конкуренцией, соревнованием. Он включает еще и "естественный отбор" технологических процессов, выявление тех из них, которые следует роботизировать сначала, тех, с роботизацией которых торопиться не следует, и тех, которые сегодня вообще не поддаются роботизации, хотя это крайне необходимо.

Роботов приспосабливают для загрузки и выгрузки заготовок и изделий, очистки деталей, сварки и окраски, обслуживания технологических процессов штамповки, литья, прессования, множества других самых разнообразных процессов. А технологические процессы приспосабливают к выполнению их работами, к их роботизации. Этап внедрения диктует необходимость быстро и надежно формулировать новые требования к конструкциям машин, станков, оборудования 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 будут обладать более широкими функциональными свойствами, более высокой квалификацией.

При программировании "бесчувственного" робота подразумевается, что он работает в строго определенных условиях, касающихся не только его, но и внешнего мира, с которым он взаимодействует; имеется в виду, например, что заготовки, грузы и изделия, которые он должен брать, всегда оказываются на одном и том же месте, что там, куда он их должен ставить или класть, всегда будет свободное пространство и т. п. Иначе он и не может работать, поскольку его взаимодействие с внешним миром носит односторонний характер: вся информация, которую несет 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 окружающем мире могут моментально сделать робот непригодным к работе, вывести из строя. Разве можно мириться с такими ограничениями, с такой "уязвимостью" квалифицированной машины? Разве не являются естественными желания и стремления сделать робот по возможности более надежным? Но для этого его надо сделать "умнее".

Современный промышленный робот, механическая рука, управляемая программным барабаном, перфорированной или магнитной лентой, по своей мощности и неутомимости действительно превосходят 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. Может быть, он выполнит это задание не самым экономичным образом, совершая много лишних движений, двигаясь не по самой короткой траектории сбора кубиков. Но ребенку достаточно указать только цель, а программу действий он выработает сам в процессе достижения этой цели.

Задачу собрать кубики можно поручить "версатрану". Если точно указать число и расположение кубиков, а также положение коробки, то он с этой задачей справится лучше ребенка. Но вот если коробки и кубиков не окажется на месте, "версатран" на это не обратит внимания: он соберет все кубики и сложит их там, где должна быть коробка, либо соберет в коробку не все кубики. Вы понимаете, насколько важно и полезно для многих практических нужд сделать робот поумнее, и еще умнее, и еще?

За работой

Конечно, интеллектуальные качества роботов первого поколения не вызывают особого восхищения. Но давайте посмотрим, как выглядит этот "бесчувственный" автомат в работе…

Казалось бы, несложная деталь — ступенчатый валик, тем более что заготовка для него уже готова. А все-таки: надо проточить его поверху так, чтобы образовалась ступенька. На этой ступеньке надо снять лыску, один из концов валика засверлить, закалить, а второй торец прошлифовать.

Необходимое для выполнения этих операций оборудование расставлено по кругу. Вот токарный станок, вот фрезерный, сверлильный, устройство для закалки токами высокой частоты, шлифовальный станок. У токарного станка специальный магазин, где в порядке, одна за другой, лежат заготовки, а у шлифовального станка — наклонный желоб. С виду оборудование совсем обычное, но станочников нет.

Одно из мест в круге занимает пульт управления.

А в центре круга — робот. Его механическая рука имеет своеобразную структуру. На массивной раме укреплена конструкция, напоминающая орудийную турель. Она может вращаться по кругу и, кроме того, менять угол подъема по отношению к горизонтали. Из турели высовывается ствол. На этом сходство с пушкой заканчивается. Ствол на конце несет подвижный захват, состоящий как бы из двух пальцев. Это советский промробот — "Универсал-50".

Станем в стороне и последим за тем, что происходит на этом участке. На токарном станке сейчас обтачивается очередной валик. На фрезерном станке обработка лыски скоро подойдет к концу, а сверло свою операцию уже заканчивает. В это время турель нацелена на закалочное устройство, ствол из нее выдвигается и поворачивается так, что захват оказывается над концом валика, высовывающегося из приспособления для закалки. Теперь начинает двигаться захват, пальцы открываются, хватают валик, все звенья этой механической руки опять приходят в движение и аккуратно переставляют деталь в зажимное приспособление шлифовального станка. Сработали зажимные электромагниты, и шлифовальный круг двинулся на валик.

С момента, когда мы начали свое наблюдение, прошло времени меньше, чем вам потребовалось, чтобы прочитать две предыдущие фразы. А рука успела повернуться к сверлильному станку, снять просверленный валик, установить его в закалочное приспособление и повернуться к фрезерному станку. Фреза закончила свою работу, разжалось приспособление, пальцы руки подхватили валик, перенесли его в оправку сверлильного станка, и рука отправилась в первую позицию, сняла обточенный валик с токарного станка, установила его на фрезерный станок, вынула из магазина очередную заготовку, "зарядила" токарный станок, затем отправилась мимо пульта управления к шлифовальному станку, уже дожидающемуся ее, сняла полностью обработанный валик, уложила его на наклонный желоб и повернулась к закалочному приспособлению…

В каждой рабочей позиции валик закреплен по-разному, на разной высоте, под разными углами, и каждый раз рука движется именно так, как требуется в том или другом случае, аккуратно берет пальцами валик за валиком, переносит их из одной позиции в другую, поворачивает и устанавливает, выходит в безопасное положение и опять движется.

Нет, конструктивно она непохожа на руку человека, и турель, на которой она укреплена, непохожа на туловище человека, и нет у этого механического создания ног, а его "голова" — пульт, откуда поступают все команды, стоит в стороне. В общем, никакого внешнего человекоподобия нет! И вместе с тем, если бы вас спросили, как, по-вашему, называется эта машина, то вы, не задумываясь, ответили бы: "Робот".

Уж очень "по-человечески", разумно она действует. По крайней мере, производит такое впечатление. Вы бы стояли около нее десятки минут, поняли бы порядок ее действия, в уме подсказывали бы, что ей нужно делать, беспокоились, как бы она рукой не задела что-нибудь по дороге, и каждый раз убеждались бы, что она все делает правильно, именно так, как сделали бы вы, если бы поменялись с ней местами. И чем больше рассказов А. Азимова, С. Лема и других фантастов, рассказов, героями которых являются роботы, вы прочли, тем уверенней назовете роботом машину, которую сейчас видели. Это естественно. Даже не будучи специалистом, интуитивно понимаете, что она, наверное, может делать не только то, что видели, но и многое другое, выполнять разные другие движения и действия, работать вместо человека, работая почти по-человечески.

Да, что по-человечески! В некоторых отношениях она больше напоминает сверхчеловека! Никакой спешки и ни одного, буквально ни одного лишнего движения! Ни на одну секунду не прекращается работа, ни для того, чтобы перекурить, передохнуть, обменяться несколькими словами с соседом, ни для того, чтобы пообедать. У нее железные нервы, и она совершенно одинаково работает в понедельник и пятницу, в начале и в конце своей обычной смены, продолжающейся 16 часов.

Стойте, смотрите, любуйтесь, не стесняйтесь! Вы здесь не одни, кругом толпа. И далеко не все здесь специалисты! А специалистами руководят при этом не одни только деловые соображения. Они, кстати, тоже любуются, получают эстетическое удовлетворение. Герои произведений инженерного искусства, созданные талантом рабочих, конструкторов, ученых, впечатляют не меньше, чем герои литературных произведений, созданных талантливыми писателями. Даже если эти герои — результат только еще "первой пробы пера".

Робототехника началась с попыток человека проникнуть туда, куда он проникнуть никак не может, — в атом, в океан, в космос. Тогда он придумал послать туда свою "копию". Но, создавая множество самых различных полуроботов, он всегда оставлял за собой функции управления. Полуроботом управляет человек — его разум. Это естественно. Атомная лаборатория, а тем более океан или космос — не те места, где легко организовать все то, с чем приходится там иметь дело, упорядочить до такого уровня, чтобы можно было уложить в строгие "логики" автомата полную программу его работы. Копирующие системы — вот один полюс робототехники, на котором все делается по-человечески.

А на другом полюсе — роботы первого поколения, бесчувственные автоматы, которые "железно" следуют наперед заданной программе, которыми управляет простая внутренняя логика, согласованная со специально организованными местом и процессом работы.

Несомненно, что между этими двумя крайними представителями робототехники должны появиться другие. Ну, например, такие, какие не нуждаются в непрерывном участии человека в их работе, умеющие автоматически работать на рабочих местах, организованных не на все 100 процентов.

Мы, конечно, понимаем, что настоящие человеческие чувства не уложишь в железную логику автомата. Но ведь логика, пусть самая железная, не обязательно должна быть самой простой. ЭВМ решают такие сложные задачи, требующие логических построений такой сложности, с какими ни один естественный интеллект не может управиться. Так разве есть основания сомневаться в том, что можно построить логику, которая бы делала примерно то же самое, что делает тот или иной механизм естественного интеллекта? Пусть такой железный интеллект делает свое дело не так, как его делает естественный. Пусть! Тем более что мы вообще еще не проникли во многие тайны естественного интеллекта и не знаем в точности, как построены и работают его механизмы.