Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)
К перечисленным группам машин и механизмов относятся не все возможные искусственные приспособления, но во всяком случае большая часть той механической техники, которая характерна для современного периода развития производства и общества, укладывается в пределы этих групп. При этом очень важным обстоятельством является то, что автоматы, машины автономного действия, медицинские и иные машины, относящиеся к разбираемым здесь группам, могут агрегироваться с теми вычислительными машинами, речь о которых была выше.
Анализируя развитие машин во второй половине XX в., И. И. Артоболевский пришел к выводу, что следует видоизменить и пополнить само определение машины, приведя его в соответствие с современным положением учения о машинах. Исходя из этого, он предложил следующую формулировку: машина есть устройство, создаваемое человеком для изучения и использования законов природы с целью облегчения физического и умственного труда, увеличения его производительности и облегчения путем частичной или полной замены человека в его трудовых и физиологических функциях. Иначе говоря, машина есть устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации.
Как уже говорилось, первые роботы появились в виде человекообразных фигур, или кукол, исполнявших одну или несколько функций, сперва не имевших отношения к производственной деятельности. Появление на сцене манипуляторов было более драматичным: первые эксперименты с радиоактивными веществами и поиски критических величин, достаточных для начала цепной реакции, приходилось выполнять вручную. Последствия этого известны, а изобретение манипуляторов было ответом на эту новую и очень срочную задачу, поставленную техникой. Вторым важным потребителем «механических рук» оказались глубоководные исследования. В дальнейшем было установлено, что в ряде технологических процессов автономно действующий механизм может с успехом заменить человека.
Параллельно шли исследования по созданию кибернетических машин, в которых идеи конструирования машин автоматического действия сочетались с идеями кибернетики. Первыми среди них были медицинские диагностические машины. Как оказалось, эти машины стало возможным приспособить и для решения задач технической диагностики: подобная методика обусловила и подобие при создании технических средств. Было установлено, что диагностический процесс является не статическим, а динамическим. Динамическая процедура диагноза, как писали авторы первых диагностических машин, начинается с простых исследований, затем на основании полученных данных проводится диагностическая оценка. Если оказывается, что данных недостаточно, то система указывает, какое следующее испытание из группы более точных следует произвести. Если на основании результатов, полученных от нового испытания, можно окончательно поставить диагноз, то испытание прекращается. В противном случае опять указывается испытание, вносящее дополнительную информацию. Таким образом, диагностический процесс включает в себя как оценку медицинской информации, так и управление собственно процессом диагноза.
Создание диагностических машин явилось лишь началом: в дальнейшем это направление развилось в чрезвычайно большую область специального машиностроения. При этом весьма характерно, что развитие и совершенствование таких машин идут параллельно с изучением самого человека. В этом направлении, как и во многих других, по-видимому, предела человеческого познания нет.
В 60-х годах происходило быстрое развитие машин автономного действия, параллельно которому развивалось учение о роботах и манипуляторах. Технические качества роботов росли очень быстро. Завершилось это десятилетие тем, что впервые в истории человечества на Луну был доставлен управляемый с Земли советский робот очень высокого класса — «Луноход-1».
Еще в конце 50-х годов начала меняться мера участия человека в управлении машиной. Человек-оператор постепенно передавал свои функции машине. Сперва это были функции движения, затем функции передач и переработки информации, наконец, функции принятия решения.
В 1954 г. в США был выдан первый патент на автомат, названный промышленным роботом с программным управлением движений искусственной руки. В 1962 г. в США были разработаны и построены образцы роботов «Юнимейт» и «Версатран». Через пять лет роботы этих типов были вывезены в Японию, где это новое производство было быстро освоено, и к настоящему времени постройкой роботов и манипуляторов различного назначения занимаются уже более ста японских фирм. Таким образом, среди капиталистических стран Япония заняла ведущее место по производству машин автономного действия.
При совершенствовании промышленных роботов выявляются две тенденции, связанные, с одаой стороны, с ростом их экономичности и эффективности, а с другой — с увеличением их автономности и мобильности. Первые модели промышленных роботов создавались как завершенные и неделимые механические конструкции, имевшие определенное число степеней свободы и определенную систему управления. В результате их кинематическая структура оказывалась чрезмерно сложной, то же происходило и с системой управления. Затем началась специализация машин автономного действия, в связи с чем быстро росла номенклатура различных конструктивных решений.
Для универсализации промышленных роботов и для упрощения возможности их использования в желательном конструктивном оформлении была сделана попытка разработки модульных конструкций роботов. В этом случае все его агрегаты, системы управления и математическое обеспечение — все эти элементы могли быть собраны в некоторое число различающихся между собой по форме и по назначению конструкций. Подобную универсальную и одновременно экономичную конструкцию разработали японские специалисты. Эта конструкция блочная и состоит из четырех агрегатов — телескопической «руки», «кисти» для захвата, вертикальной колонки и основания. Такие роботы агрегатного типа имели большую эксплуатационную гибкость, что давало возможность реализовать наиболее рациональную композицию для использования ее в условиях многономенклатурного производстве.
Быстрое совершенствование машин автономного действия определило характерные особенности трех последовательных поколений этих машин. К первому поколению принадлежали роботы, которые были снабжены циклической системой управления, ко второму — роботы с рефлексным принципом управления, к третьему — роботы с адаптивной системой управления, основанной на принципах самоорганизации и самоусовершенствования.
Создание третьего поколения роботов выдвинуло необходимость введения в систему управления элементов искусственного интеллекта. Роботы с элементами машинного зрения были созданы в США, Англии, Японии. Соответствующие исследования проводятся и в нашей стране: роботы с искусственным зрением были созданы в Ленинграде и Киеве. Эти роботы могли находить некоторые объекты, а также собирать некоторые простейшие механизмы. Еще в 60-е годы была создана и начала работать советская космическая станция «Луна-9», оборудованная системой искусственного зрения: передаваемая с ее помощью информация дала возможность ближе познакомиться с поверхностью Луны.
Дальнейшие поиски в области робототехники позволили расширить функциональные возможности роботов. Американская информационная система выполнила комплекс исследований на Марсе в целях получения атмосферных, аэрофизических, аэрохимических и биологических данных. Были созданы также специализированные телеуправляемые подводные аппараты.
Непрерывное совершенствование роботов и расширение их функциональных возможностей вызвали необходимость дальнейшего совершенствования их классификации. К настоящему времени можно выделить по крайней мере четыре группы роботов: собственно роботы — кибернетические автоматы; управляющие роботы — автоматы, предназначенные для решения сложных численных и логических задач; управляемые роботы — манипуляторы, предназначенные для выполнения механических операций на некотором расстоянии от оператора; информационные роботы — автоматические системы, предназначенные для поиска, переработки и передачи информации о состоянии различных параметров исследуемых объектов.
Эту классификацию можно дополнить на основе принципов построения общей схемы машин и формы связи между блоками, выделив следующие группы: манипуляционные роботы; подвижные полуавтоматические манипуляционные роботы с дистанционным управлением и телеконтролем; автоматические роботы с программирующими агрегатами или автоматическими подвижными системами; автономные роботы.
Таким образом, машины автономного и автоматического действия непрерывно развиваются. Над их совершенствованием работает большое число ученых и инженеров во многих странах мира. В будущем роботы должны сыграть важную роль в деле замены труда человека во многих операциях, там, где это обеспечит улучшение качества продукции, убыстрение ее производства и, кроме того, освобождение человека от тяжелого и малопроизводительного труда.