Вот они — роботы

DjVu

      Полный текст книги

      Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что мы сейчас являемся свидетелями интенсивного процесса становления робототехники — новой и важной отрасли, цель которой — создание совершенно нового класса машин и автоматов, уже сегодня получающих важные применения в промышленном производстве, в отраслях техники, связанных с производством и обработкой радиоактивных материалов, освоением и использованием богатств Мирового океана, исследованием космического пространства и т. п.
      За словом «робот», которое становится теперь привычным научным и техническим термином, скрываются самые различные системы, однако у этих систем есть то общее, что все они должны заменять человека там, где он вынужден выполнять тяжелую, однообразную или угрожающую его здоровью и жизни работу. Появление роботов диктуется не праздным любопытством «любителей новой техники», а насущными потребностями различных отраслей производства. Что касается возможностей их создания, достижимого уровня их совершенства и «квалификации», то это определяется уровнем научно-технического прогресса.
      Робот — сложный машинный агрегат, предназначенный для выполнения различных рабочих движений человека, — в ряде случаев должен быть оснащен устройствами, заменяющими органы чувств человека, системами искусственного интеллекта. Создание такого комплексного агрегата требует применения и развития современных методов теории машин, теории автоматического управления, теории информации, использщщщгя методов и средств вычислительной техники. Кроме того, уже сейчас видно, насколько полезным может оказаться участие в этих работах специалистов в области биофизики и физиологии, поскольку попытки воспроизвести некоторые двигательные и другие функции живого организма неизбежно связаны с необходимостью проникнуть возможно глубже в механизмы реализации этих функций. Такое проникновение должно теперь преследовать не только чисто познавательные, но и важные утилитарные цели. Оно, очевидно, потребует развития существующих методов и средств изучения функций живого организма.
      Интенсивное развитие важной технической проблемы создания систем типа робот, таким образом, будет способствовать формированию специальной теории роботов. Я думаю, что решение всех этих вопросов — дело недалекого будущего.
      Ее автор, видный специалист в области теории машин, непосредственный участник создания ряда новых технических и биотехнических систем, сумел, как мне кажется, рассказать об этих проблемах глубоко и точно и вместе с тем популярно и интересно. Уверен, что книгу с интересом прочитают специалисты, работающие в самых различных отраслях знаний.
      И. Я. Артоболевский
     
      Глава первая
      ОНИ РАБОТАЮТ
     
      ... вместе с человеком
      С тех пор как в 40-х годах нашего столетия появилась практическая возможность использовать атомную энергию путем управляемой реакции деления ядер атомов урана и плутония, атомная энергетика стала одним из столпов технического прогресса, энергетической базой ближайшего будущего всего человечества. Однако материалы, с которыми приходится иметь дело в этой области техники, обладают радиоактивностью — - свойством, угрожающим здоровью и жизни человека. Опасны для человека не только сами радиоактивные вещества, но и оборудование, которое используется при их получении и обработке.
      А вместе с тем работа с радиоактивными веществами, ремонт, монтаж и демонтаж атомных реакторов, обслуживание машин и устройств, находящихся в радиоактивных зонах, все это — процессы и операции, как правило, требующие участия человека. Они слишком разнообразны и нестандартны, чтобы их выполнение можно было поручить автомату.
      Так возникло противоречие между потребностями человека, которые может удовлетворить только атомная промышленность, и той опасностью для его здоровья и жизни, которую она несет.
      Это противоречие было снято техническим решением, базирующимся на следующем рассуждении. Если нет технической возможности использовать автоматы, которые бы работали вместо человека, значит следует создать механизмы и устройства, которые будут работать вместе с человеком. «Механические руки» можно установить непосредственно в камере, в горячей зоне, в изолированном помещении, одним словом там, куда человеку доступ исключен. А человека надо поместить в защищенную от ядерной радиации безопасную зону и оставить за ним функции управления механическими руками.
      Одновременно с созданием в ряде стран первых атомных лабораторий появились и первые конструкции манипуляторов — машин с механическими руками. Химики и физики, механики и монтажники — люди самых различных профессий и специальностей — вынуждены одновременно становиться специалистами-операторами, умеющими действовать искусственными конечностями, расположенными в опасных зонах.
      Приведенный рисунок дает некоторое представление о том, как выглядит безопасная часть атомной лаборатории, где работают люди. Перед каждым оператором находятся механизмы так называемых управляющих рук манипулятора. Оператор приводит эти руки в движение и одновременно начинают двигаться такие же «руки» внутри камер, копируя движения оператора. Само собой разумеется, что оператор имеет возможность наблюдать за всем тем, что происходит в рабочей зоне.
      Более чем за четверть века, прошедшую со времени появления первого манипулятора, семейство их значительно расширилось и усовершенствовалось. Сейчас их используется уже много тысяч, а разработка и производство манипуляторов самого различного назначения и конструкции становится отраслью промышленности, пока еще скромной по объему производства, но быстро развивающейся.
      Чтобы напиться газированной воды из автомата, достаточно опустить монету и подставить стакан. Все остальное автомат сделает сам. На вашу долю приходится совсем пустяковая работа, о которой даже не стоит говорить: достать из кармана монету и опустить ее в щель. Примерно так же выглядят наши взаимоотношения с любым другим торговым автоматом. И примерно такими же ученые и инженеры стремятся сделать отношения между людьми и автоматами в промышленном производстве в любой отрасли техники.
      Задачу человека, захотевшего напиться воды, воспользовавшись автоматом, можно было бы еще более упростить. Для этого, например, автомат можно было бы снабдить механической рукой, которая обследовала бы карманы жаждущего, выискивала монету подходящего достоинства и опускала бы ее в щель. А другая механическая рука брала бы стакан, подставляла его под струю воды, и наполненным подносила ко рту потребителя. Но торговые автоматы такими не делают.
      Однако есть отрасли производства, где механические руки оказываются совершенно необходимыми, а затраты на их создание и совершенствование — оправданными с технической и экономической точек зрения.
      Токарь, фрезеровщик, шлифовщик — рабочие высокой квалификации, их главная задача — управление станком,
      обеспечение его точной и производительной работы. Но они должны также установить на станок заготовку и снять обработанное изделие. Многие изделия, детали и заготовки для них имеют значительный вес: 10 — 30 — 50 кг. Операции их обработки на станке могут занимать всего лишь несколько минут, и тогда загрузка и выгрузка перерастают в важную проблему.
      Для механизации и автоматизации установки и съема деталей до последних лет было сделано очень мало. Почему?
      Если внимательно присмотреться, окажется, что внешне совсем простые операции установки и съема требуют выполнения сложных пространственных движений, характер которых во многом зависит от формы и размеров изделий и существенно меняется при переходе от одного изделия к другому.
      Лучше всего для подобных целей приспособлены руки человека. Только совсем недавно у станков появились манипуляторы, избавляющие человека от физической перегрузки. Механическим рукам безразлично, сколько весит заготовка, — 3 или 30 кг. Они — автоматы, и не зная усталости, в одинаковом темпе работают в начале смены и в конце ее, в понедельник и в пятницу; их первое, сотое, тысячное движения совершенно одинаковы. При переходе на обработку других деталей их легко перестроить на другие движения — такие, какие необходимы, чтобы точно устанавливать новые заготовки, а после обработки складывать готовую продукцию в заданное место в заданном порядке.
      В кузнечных цехах изделия куются из раскаленных заготовок. Кузнецу и его подручному требуются, кроме квалификации, большая физическая сила и выносливость даже при том условии, что сам процесс ковки выполняется машиной — молотом. Раскаленную тяжелую заготовку надо взять клещами, ввести в зону обработки, правильно там ориентировать, поворачивать после одного или нескольких ударов молота...
      Вместо кузнеца к молоту становится автоматический манипулятор. Ему не страшна температура, не переносимая человеком. Для него нормальны любые условия работы, на которые он рассчитан, а по неутомимости и точности повторения заданных движений он намного превосходит человека.
      Промышленный робот — манипулятор с автоматическим управлением. Программа механической руки «набирается» на специальном пульте управления либо записывается на магнитной ленте примерно так же, как на ней записываются речь или музыка
      Окраска изделий обычно производится набрызгиванием. Чтобы предохранить рабочего от вредного действия распыляемой краски, нужна специальная маска; помещение, или рабочая зона, где производится окраска, оборудуется специальными защитными устройствами — сложно, дорого, опасно для человека. Если же окраску изделий «поручить» манипулятору, это оздоровит условия работы человека и повысит производительность его труда.
      Процессы формования кирпича высоко механизированы. Однако за формованием следуют операции пропаривания, обжига, требующие перекладывания кирпича и складывания его в пирамиды определенной конфигурации. Эти операции также стремятся предельно механизировать и автоматизировать, пытаясь использовать манипуляторы. Механическая рука может брать одновременно 5 — 6 и более кирпичей, каждый из которых весит до 4 кг, и не боится это делать, даже если они только что «из печки».
      Стеклянные заготовки для телевизионной трубки — кинескопа — могут весить 10 — 15 кг. Сложный технологический процесс их изготовления требует многократной установки, съема, перегрузки. Сотни людей в пределах одного цеха заняты этой малопроизводительной работой. Несомненно, что им на смену должны прийти механические руки.
      Эти несколько примеров свидетельствуют о буквально необъятном поле деятельности, открывающемся перед автоматическими манипуляторами, или, как их называют, промышленными роботами, в самых различных областях производства. Сейчас только начинается этап их внедрения, и таких роботов насчитывается всего лишь несколько сотен штук. Но прогнозы уверенно свидетельствуют, что через несколько лет на производстве их будут тысячи, через десяток лет — десятки тысяч...
     
      ... в морских глубинах
      Американец Р. Крофт установил мировой рекорд, погрузившись без дыхательного аппарата на глубину 73 м, погружение и всплывание продолжалось немногим более двух минут.* Ныряльщик под водой живет на запасах кислорода, содержащегося в его легких, крови и тканях. С увеличением глубины погружения его тело подвергается все большему давлению водной среды: каждые последующие 10 м погружения давление повышается на одну атмосферу. На глубине около 100 м лежит предел прочности грудной клетки человека.
      Водолазы проводят под водой уже не минуты, а часы и случается погружаются на глубины более 100 м. Они работают в специальных скафандрах, полностью отделяющих человека от воды. Скафандр — сложное сооружение, состоящее из водонепроницаемого комбинезона, шлема, устройств, питающих водолаза воздухом, кислородом или специальной газовой смесью, из телефонного устройства, обеспечивающего его связь с надводным миром, устройства, на котором его опускают на глубину и поднимают на поверхность, наконец, из специальных грузов и тяжелой обуви, гасящих плавучесть водолаза и обеспечивающих устойчивость его вертикального положения под водой.
      Одного человека в глубине моря должны обслуживать несколько человек на поверхности. При этом нельзя сказать, что время пребывания водолаза под водой используется эффективно. Дело в том, что при спуске на глу-
      Обитаемый подводный аппарат для океанографических исследований. Иллюминаторы и манипулятор (в данном случае он находится в походном положении) дают возможность экипажу активно действовать в океанских глубинах
      бину и подъеме на поверхность внутреннее давление в воздухоносных полостях организма человека должно выравниваться с изменяющимся наружным давлением воды: с этой целью необходимо ограничивать скорость спуска и особенно подъема водолаза. В результате время спуска и подъема растет по мере увеличения глубины погружения, занимая даже при не очень больших глубинах значительную долю рабочего дня водолаза. Достаточно сказать, что по существующим нормам после двухчасового пребывания на глубине 40 м время так называемой декомпрессии водолаза составляет около 4 часов.
      Мировой океан занимает свыше 70% площади всего Земного шара. Его богатства неисчислимы. Подсчитано, что возможный ежегодный улов рыбы составляет около 80 млн. т; это по самым умеренным оценкам в несколько раз перекрывает потребность человечества в белках. По данным американских ученых, рудные выходы (так называемые рудные почки) в Тихом океане могли бы обеспечить потребности нашей планеты в меди на 6 тыс. лет, в алюминии — на 20 тыс. лет, в кобальте — на 200 тыс. лет. А ведь изучение «подводного царства» фактически еще только началось. Причина этого — колоссальные глубины океана.
      Его прибрежная часть, шельф, окаймляющая сравнительно узкой полосой материки, имеет глубину от 0 до 200 м. Далее следует материковый склон с глубинами от 200 до 2000 м. Наибольшую часть площади дна океана составляет его ложе, находящееся на глубине 2000 — 6000 м с отдельными впадинами глубиной свыше 10 000 м.
      Ныряльщики, аквалангисты, водолазы — область их деятельности охватывает лишь малую часть шельфа. Уже в течение многих лет ведется работа по созданию глубоководных снарядов, специальных подводных кораблей, подводных лабораторий. Человек уже побывал на самых больших глубинах. Широко известны имена отца и сына Пикаров — в 1960 г. их глубоководный снаряд «Триест» опустился на глубину 10 912 м на дно Марианской впадины — глубокого желоба в Тихом океане.
      Человек забрался в стальную коробку, чтобы защититься от сокрушительных давлений, способных раздавить его в лепешку. Он может в ней дышать и двигаться, находясь на большой глубине, может наблюдать и изучать подводный мир, передвигаясь в любом направлении, он полностью изолирован от среды, угрожающей его жизни. В этом его преимущество по сравнению, например, с ныряльщиком. Но вместе с тем в подводном корабле человек попадает в положение пассивного наблюдателя.
      Только один выход найден из этого положения — применение манипуляторов и роботов. Подавляющее большинство уже построенных и строящихся в разных странах обитаемых подводных аппаратов, способных погружаться на километровые глубины, снабжено одной, двумя или несколькими механическими руками-манипуляторами, управление которыми осуществляют люди — операторы, находящиеся в безопасной зоне внутри аппарата.
      Манипулирование в морских глубинах во многом напоминает работу оператора в атомных лабораториях. Однако весьма существенно, что в одном случае в камере помещен объект манипулирования, сосредотачивающий в себе всю опасность для человека, в другом случае — в камере помещен человек и эта камера единственное относительно безопасное место для него в окружающем его пространстве.
     
      ...в космосе
      Обширное «поле деятельности» для применения механических рук представляет область космических исследований, причем применение их начинается еще на Земле, где ведутся разнообразные исследования в барокамерах, моделирующих высотные условия, или условия, близкие к космическим. При сравнительно больших размерах этих камер создание и поддержание в них вакуума весьма сложно. Вместе с тем часто возникает необходимость произвести там переналадку, включить, выключить агрегат или прибор, требующие вмешательства человека. При наличии в камере дистанционно управляемого манипулятора все эти операции могут быть выполнены без ее девакуумирования, что дает значительную экономию труда и времени. Опыт такого использования механических рук уже известен. Есть предложения использовать манипуляторы в камерах, обеспечивающих идеально стерильные условия, необходимые для исследования и изучения лунных пород и пород, которые будут получены с других планет. Но, конечно, главные задачи применения механических рук в этой области связаны непосредственно с орбитальными и космическими путешествиями человека или автоматов, находящихся под его непосредственным наблюдением и управлением.
      Создание орбитальных и лунных станций из области научной фантастики перешло в область сложных и трудных, но вполне реальных научных и инженерных задач. Как уже сейчас ясно, для их решения должны будут использоваться манипуляторы и роботы самого различного типа и назначения. Вокруг Земли уже сейчас циркулируют тысячи искусственных тел — спутников, с помощью которых ведутся научные исследования, создаются глобальные системы связи и телевидения. Становится очевидным, что по мере увеличения числа станций и спутников для целей их обслуживания, ремонта, замены деталей и узлов широкое применение найдут малогабаритные специализированные обитаемые или телеуправляемые космические капсулы, оснащенные большим числом манипуляторов, часть которых предназначена для фиксации капсулы на объекте (станции или спутнике), часть — для выполнения заданных технологических процессов и работ.
      Первые исследования лунной поверхности также показали необходимость в использовании механических рук. Лунный скафандр — устройство чрезвычайно сложное, это целое предприятие, предназначенное для обеспечения полной автономности астронавта, оно несравнимо более сложно, чем водолазный скафандр, и еще более стесняет движения и действия человека. Для дальних и длительных путешествий по незнакомым планетам скафандры непригодны, для этого понадобятся специальные транспортные средства, по идее схожие с теми, какие уже сейчас используются для подводных работ и исследований, но, конечно, совершенно иные по устройству и конструкции. Их экипаж будет жить и работать в безопасных условиях, взаимодействие с внешним миром будет осуществляться с помощью манипуляторов. А может быть первыми такими путешественниками станут автоматы, роботы, управляемые с Земли или с космического корабля, со спутника.
      А пока первым экипажем-лунопроходцем стал телеуправляемый советский аппарат «Луноход-1».
      17 ноября 1970 г. автоматическая станция «Луна-17» совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Дождей. «Луноход-1», установленный на посадочной ступени этой станции, по команде с Земли съехал на поверхность Луны и приступил к выполнению программы исследований. Его экипаж жил и работал на Земле в привычных условиях, и вместе с тем неделя за неделей, месяц за месяцем «объезжал» намеченные участки лунной поверхности, останавливаясь в случае необходимости на долгое время. Эти остановки не оборачивались для экипажа изнурительным бездельем и не требовали особых мер для его жизнеобеспечения — у автоматических и телеуправляемых аппаратов уже сейчас есть ряд существенных преимуществ по сравнению с обитаемыми.
      А в будущем? Некоторым ориентиром при попытке ответить на этот вопрос может служить то соображение, что технические средства все время совершенствуются, повышаются их дальнодействие, надежность, экономичность, расширяются их возможности и т. д. В силу этого эффект их использования, вероятно, будет приближаться к тому эффекту, который достигается при непосредственном присутствии оператора на месте событий. А для телеуправляемых и автоматических аппаратов механические руки станут важнейшим, если не единственным, средством активного взаимодействия с окружающей средой.
     
      ...в медицине
      До сих пор мы говорили о механических руках как об устройствах, заменяющих человека при выполнении тяжелой и опасной работы, действующих в недоступных для него областях и зонах. В медицине получили большое развитие исследования, связанные с созданием протезов и ортопедических аппаратов, которые предназначены непосредственно для обслуживания человека.
      Протез заменяет утраченную конечность, аппарат — устройство, помогающее больному делать те движения, которые стали ему недоступны в результате заболевания — частичного или полного паралича конечностей.
      Протезирование — отрасль одновременно медицины и техники, протез руки — изделие, которое по своему непосредственному назначению имеет все основания называться механической рукой. Важная особенность отличает ее от манипуляторов, о которых шла речь выше. Там вопрос об источниках энергии и управляющих сигналов, необходимых для выполнения движений искусственной руки, решается традиционным путем — управление осуществляют руки оператора или автоматические устройства, их действия «усиливаются» за счет внешних источников энергии.
      В результате ампутации конечности человек одновременно лишается костного и мышечного аппарата и соответствующего отдела нервной системы. Используя техническую терминологию, можно сказать, что он лишается одновременно исполнительных механизмов системы, их приводов и блока управления этими приводами.
      Рука человека — основное орудие, которым он активно взаимодействует с внешним миром. Она обладает необычайной ловкостью, гибкостью и приспособляемостью к самым различным действиям и движениям. Все эти качества достигаются за счет ее очень высокой подвижности. Естественно, что при протезировании задача восстановления двигательных функций ставится лишь в самом скромном объеме, необходимом для самообслуживания инвалида, для выполнения им некоторых бытовых и производственных движений.
      Но даже при этом условии создание активного протеза руки представляет собой чрезвычайно сложную биотехническую задачу, трудности решения которой усугубляются высокими требованиями, предъявляемыми к весу, габаритам, надежности, наконец, к косметичности подобных изделий.
      Антропоморфизм — свойство, вытекающее из функционального назначения таких систем, как манипуляторы и педипуляторы. Они ведь должны выполнять движения, сходные с теми, какие умеют выполнять естественные конечности человека. Именно это обстоятельство вынуждает инженеров при создании таких конструкций идти на некоторые заимствования у Природы.
      Антропоморфизм протеза — требование, выдвигаемое не только его функциями, но еще и его назначением — непосредственная замена утраченной человеком конечности. В современных протезных изделиях идея антропоморфизма прослеживается не только в их конструкции, но и в системах управления ими. Естественно, что многие принципы, решения и методики, использованные в протезировании, нашли и могут найти применение в технике — при создании манипуляторов и педипуляторов.
      О последних мы пока знаем только то, что они представляют собой искусственные ноги. Ниже о них тоже будет идти речь, здесь же только расскажем, почему в последние годы так активно «освежают» далеко не новую проблему создания шагающих машин.
     
      ... в системах передвижения
      Если у инженера, занятого конструированием педипуля-тора, спросить, где, по его мнению, зародился животный мир, то он, даже будучи не очень осведомленным о современных гипотезах, касающихся происхождения и развития жизни, ответит, что это несомненно произошло в океане. И мотивировать это свое утверждение он будет приблизительно так:
      — Вы посмотрите, как просто живется рыбе, как она в воде легко передвигается во всех направлениях, под любым углом к горизонту, то поднимаясь к поверхности, то уходя ко дну. Для всего этого ей только и нужно, что пара плавников и хвост. А попробуйте, снабдив ее легкими, вытащить на берег! Вся ее подвижность и изящество сразу пропадут, небольшая канава для нее станет непроходимым препятствием.
      Не входя в обсуждение обоснованности его соображений, вместе с тем, нельзя не признать, что земная поверхность в ее естественном виде очень мало подходит для передвижения по ней без специальных приспособлений. Опорно-двигательные аппараты животного и человека идеально приспособлены для преодоления большинства препятствий, с которыми им приходится встречаться в естественных условиях. Скалы, овраги, песчаные пустыни, поваленные стволы деревьев, илистые берега рек и озер, снежный покров, ледяные торосы не останавливают стопоходящее существо.
      Может даже показаться удивительным, что человек при создании самых различных транспортных средств пошел по пути, прямо противоположному тому, который выбрала Природа. Вместо того чтобы, копируя ее, приспособить опорно-двигательный аппарат своих экипажей к передвижению по естественному рельефу, он изобрел в качестве универсального средства передвижения колесо и стал приспосабливать к нему естественное окружение. Так появились дороги, рельсы, шоссе. Мы к этому привыкли и обычно у нас даже не бывает повода вспомнить, что метровая канава остается непроходимым препятствием для самого современного автомобиля.
      Учитывая это, в наши дни, может быть, и не стали бы особенно глубоко задумываться над вопросом, как резко повысить проходимость транспортных средств, над вопросом создания стопоходящих* машин, хотя и на Земле есть еще много суши, непроходимой для колеса. Но когда стала совершенно реальной необходимость передвижения по поверхности Луны, а в будущем по другим планетам, то ученые и инженеры вновь обратились к этим проблемам. В результате за последние несколько лет появился ряд новых разработок, использующих для повышения проходимости, наряду с различными вариантами колесных шасси (отличным примером здесь может служить «Луноход-1»), также и шагающие механизмы и системы.
     
      * * *
     
      Итак, механические руки и механические ноги, управляемые вручную, или с автоматическим управлением, выполняющие примерно те же функции, что и естественные конечности, а подчас и обладающие внешним сходством с ними. Семейство подобных устройств непрерывно растет, они становятся все более «квалифицированными». Во многих случаях оказывается необходимым в одном агрегате совместить и ноги, и руки, и системы управления ими. В результате такого сочетания возникает некое техническое «создание», которое с той или иной степенью приблизительности отвечает сложившемуся сегодня интуитивному представлению о роботе.
      * Этот термин, вероятно, одним из первых использовал П. Л. Чебышев. На одной из своих моделей, представляющих работающий макет механизма шагающего типа, он написал: «стопоходящая машина».
     
     
      Глава вторая
      НА ПОВОДУ У ЧЕЛОВЕКА
     
      Рука как механизм
      Чтобы пришить пуговицу, надо сначала вдеть нитку в иголку. Хорошо известно, что, не имея навыка, сделать это не так просто, как кажется с первого взгляда. А портной действует иголкой и ниткой ловко и быстро, заканчивая операцию незаметным для глаз сложным приемом, в результате которого на одном из концов нитки, вдетой в иголку, появляется узелок.
      Манипуляции портного при этом четко делятся на две группы. Одна связана с доставкой иголки и нитки в удобную зону, вторая — с непосредственной процедурой вдевания.
      Эти манипуляции можно описать так, будто они выполняются не живыми руками, а механизмами, составленными из нескольких звеньев, подвижно сочлененных одно с другим.
      Каждый из отделов руки — плечо, предплечье, кисть — придется для этого изобразить в виде звена такой же длины, что и живой прототип, а затем эти звенья соединить в кинематическую цепь, чтобы они могли поворачиваться одно относительно другого примерно так, как могут поворачиваться звенья живой руки.
      Проведя на себе ряд опытов, можете убедиться в том, что плечо относительно туловища движется так, будто они соединены шаровым шарниром — при неподвижном туловище плечо может поворачиваться относительно любой из трех взаимно перпендикулярных осей. Другими
      словами, плечевой сустав имеет три степени свободы. Локтевой сустав имеет только одну степень свободы; плечо и предплечье всегда находятся в одной плоскостп и могут поворачиваться одно относительно другого только вокруг оси, перпендикулярной этой плоскости. Кисть относительно предплечья можно поворачивать в трех направлениях; они тоже будто соединены шаровым шарниром. Не будем вникать в тонкости устройства лучезапястного сустава, соединяющего предплечье с кистью. При построении механизма руки достаточно знать, что это сочленение имеет три степени свободы.
      Итак, три крупные сустава руки сообщают ей семь степеней свободы. Чтобы перенести иголку в рабочую зону, нужны три степени свободы. Но иголку надо не только перенести, но еще правильно ориентировать в этой зоне. Для этого, возможно, придется повернуть ее в пространстве относительно всех трех осей — нужны еще три степени свободы. Шесть степеней свободы необходимо, чтобы перенести объект манипулирования из одной точки пространства в другую и произвольно его там ориентировать.
      Для чего крупные суставы дают руке еще одну — седьмую степень свободы?
      Свободное тело в пространстве обладает шестью степенями свободы.
      Любой предмет можно перемещать в трех взаимно перпендикулярных направлениях, т. е. вдоль осей X, Y и Z, и поворачивать его относительно этих осей
      Вы можете перенести иголку и произвольно ориентировать ее, действуя вытянутой рукой. При этом не используется подвижность в локтевом суставе. Но зона, доступная для манипуляции, сильно сузится; она будет располагаться в окрестности сферической поверхности, описанной плечом и предплечьем, вытянутыми в одну линию. Возможность согнуть руку в локте расширяет рабочий объем манипулирования до пределов, ограниченных ее «конструкцией».
      Заметьте, что до сих пор мы ничего не говорили о подвижности отдельных пальцев, считая, что вы, как новичок, судорожно сжали иголку между большим пальцем руки и четырьмя противостоящими ему другими пальцами. В нашей механической модели живая кисть изображена как простой схват типа плоскогубцев или клещей. Схват добавляет нашему механизму всего одну степень свободы — восьмую, которая включается тогда, когда нужно взять объект манипулирования или отпустить его.
      А живая кисть? Каждый из пальцев, кроме большого, состоит из трех звеньев — фаланг, могущих сгибаться одна относительно другой. Кроме того, каждый палец можно отвести от смежных в ладонной плоскости. Большой палец состоит всего из двух подвижных фаланг, но зато относительно ладонной части кисти обладает, в отличие от других пальцев, не одной, а двумя степенями подвижности. Пять пальцев сообщают руке дополнительно к семи степеням еще двадцать (!) степеней свободы.
      Такова приблизительная оценка естественной подвижности, придающей всем движениям руки плавность и гибкость. Кисть руки — универсальнейший механизм, который может взять иглу и карандаш, горсть песка и щепотку соли, булыжник и лист железа, смычок и напильник. И не только взять, а взяв, выполнить манипуляции и действия самые тонкие и сложные. А если нужно, в работу включается вторая рука — еще один живой механизм, обладающий еще 27-ю степенями свободы.
      Необыкновенная подвижность, выработанная в течение эволюционного развития, в значительной мере определяет свойства живого механизма, способного осуществить бесчисленное множество самых разнообразных движений, позволяет использовать один и тот же «механизм» для выполнения самых различных процессов, в частности для вдевания нитки в иголку.
      При создании манипуляторов не ставится задача точно скопировать конструкцию руки и не предъявляются требования, чтобы они обеспечивали воспроизведение того бесконечного по богатству и сложности набора движений, который может реализовать живая рука. Под манипулятором мы понимаем техническое устройство, предназначенное для воспроизведения лишь некоторых двигательных функций верхней конечности человека.
      Естественно, что ограничение требований к функциональности манипулятора позволяет снизить его подвижность по сравнению с живой рукой. Мы увидим, что такие ограничения коснулись в основном его «кисти» — как правило, она выполняется в виде простого схвата. Что же касается подвижности крупных «суставов» манипулятора, то она сохраняется обычно на уровне подвижности естественной конечности. Именно за счет этого достигается антропоморфизм искусственной руки.
     
      Марионетки
      Так назывались театральные куклы, получившие широкое распространение в народных кукольных театрах Чехии 100 — 200 лет тому назад. Голова и туловище марионетки соединены между собой подвижно, руки и ноги свободно раскачиваются, сгибаясь в крупных «суставах», соединяющих нитками отдельные их части. К подвижным сочленениям куклы (в ее плечах, бедрах, коленях, шее, локтях, кистях рук, ступнях) также привязаны нитки, верхние концы которых прикреплены к управляющему механизму — небольшой деревянной крестовине, состоящей из вертикальной рукоятки и одной-двух подвижных поперечин, которые могут качаться и поворачиваться относительно рукоятки.
      Рукоятка этого «механизма» играет роль базы, к ней подвешивается голова или туловище куклы. К поперечинам привязываются нити, идущие к подвижным сочленениям.
      Кукловод, раскачивая и поворачивая поперечины, заставляет идущую как бы на поводу у него марионетку сгибать руки и ноги — совершать сложные движения.
      В театрах марионеток разыгрывались представления, в которых участвовало одновременно несколько кукол. У отдельных марионеток число нитей превышало 20, они обладали очень большой подвижностью, управление ими требовало от кукловода высокого мастерства. Естественно, что размеры куклы и ее вес ограниченны: ведь в процессе представления кукловод держит ее на весу. Он быстро наклоняет или выпрямляет поперечины, те или иные нити то подтягиваются вверх, то опускаются вниз, и в соответствии с этой быстротекущей «программой» кукла пляшет или вытирает рукой слезы. Конечности куклы повторяют движения пальцев артиста — его дело выразить в этих движениях человеческие действия и чувства.
      Почему мы здесь вспомнили о марионетках? По той простой причине, что примерно та же идея управления использована во многих конструкциях так называемых копирующих манипуляторов, которые широко применяются на практике. Оператор, работающий на таком манипуляторе, как кукловод, приводит рукой в движение управляющий механизм, звенья которого соединены с звеньями исполнительного механизма примерно так, как соединена крестовина с куклой. И подобно кукловоду оператор в процессе управления так строит свои движения, так их дозирует, т. е. выбирает и изменяет их скорости, чтобы копирующие эти движения исполнительные механизмы наилучшим образом выполняли всю программу действий.
      Таким образом, идея, положенная в основу копирующих манипуляторов, в общем далеко не нова. Но давайте посмотрим сами, насколько отличается современный копирующий манипулятор от старинной марионетки.
     
      Копируя руку
      Тот обширный класс задач, для решения которых используются манипуляторы, коротко можно охарактеризовать таким образом: манипулятор предназначен для того, чтобы работающий «в паре» с ним человек мог взять расположенный вдалеке объект манипулирования, переместить его в нужную точку пространства и нужным образом ориентировать его там. Мы уже знаем, что для этого
      исполнительная рука манипулятора должна иметь минимум семь степеней свободы: шесть — для выполнения движений перемещения и ориентирования, одну — для взятия объекта. За этим, казалось бы, не таким уж сложным заданием скрывается ряд требований, в силу которых создание механических рук превращается в сложнейшую техническую проблему.
      Исполнительные руки манипулятора и оператор действуют на расстоянии. При работе с радиоактивными веществами эти расстояния могут измеряться метрами и десятками метров. При работах в подводном мире — десятками, сотнями и тысячами метров. При применении манипуляторов в космическом пространстве они будут измеряться сотнями тысяч, миллионами километров. Надежная и точная передача движений на расстояние — вот первое требование, которое предъявляется к любой конструкции копирующего манипулятора. Первое, но не единственное!
      Человек, взаимодействуя с внешним миром, вынужден в процессе этого взаимодействия не только непрерывно выполнять самые разнообразные движения, но еще направлять и дозировать усилия, связанные с этими движениями. Так, чтобы затянуть гайку, к гаечному ключу следует приложить усилие, значительно отличающееся от того, например, которое необходимо, чтобы удержать пальцами руки хрупкое сырое яйцо. Соответственно от манипулятора требуется, чтобы с его помощью оператор мог управлять величинами и направлениями сил, которые надо прикладывать к объекту манипулирования при выполнении той или иной операции. Возможность передавать и достаточно точно воспроизводить дозированные усилия — еще одно важное требование, предъявляемое к конструкции манипулятора. В одних случаях оно вызывается необходимостью обеспечить правильное протекание самого процесса манипулирования, в других диктуется требованиями предохранить конструкцию от поломок.
      Механизм, который использует человек, дозируя свои усилия, так же как и другие механизмы его произвольной деятельности, пока еще изучен очень мало. Как удержать хрупкое яйцо, не раздавив его и не выронив из рук, подробно вам объяснить никто не сумеет. Но одно совершенно ясно — при выполнении любых действий человек пользуется информацией, непрерывно, собираемой его органами чувств.
      Тактильные рецепторы, находящиеся в коже (в особенно большом количестве в концах пальцев), формируют чувство осязания; проприорецепторы — «датчики» нервной системы в скелетных мышцах, сухожилиях и связках — генерируют сигналы при сокращениях, напряжениях и растяжениях мышц. Эти сигналы достигают центральной нервной системы, вызывая неясные ощущения, названные И. М. Сеченовым «темным мышечным чувством». Но именно это чувство в значительной мере обеспечивает человеку возможность строить, соразмерять и направлять свои движения и усилия.
      Оператор управляет манипулятором, наблюдая непосредственно или с помощью телевизионных устройств за движениями, воспроизводимыми механическими. руками. Так осуществляется обратная связь по перемещению этих рук в пространстве. Оператор непрерывно сравнивает наблюдаемые положения и скорости «рук» с желаемыми и непрерывно вносит коррекцию, устраняя возникающие рассогласования.
      Однако зачастую такой — визуальной — обратной связи по перемещению оказывается недостаточно. Когда приходится дозировать усилия, систему управления необходимо дополнить обратной связью по усилиям. Проще всего для этого использовать естественные информационные «каналы» оператора. Значит, манипулятор нужно очувствить — придать ему способность полностью или частично «отражать» на руку оператора усилия, возникающие и изменяющиеся в процессе манипулирования. А чтобы механизмы и устройства манипулятора обладали свойством отражать усилия, или, как говорят, были обратимыми, их ведущие и ведомые звенья должны легко «рокироваться» — ведущее становиться ведомым, а ведомое — ведущим. Очувствление манипулятора — еще одно основное требование, которое часто предъявляется к его конструкции.
      Все эти требования направлены на то, чтобы возможно больше приблизить управление манипулятором к управлению движением естественной конечностью. Тогда оператор сумеет сконцентрировать свое внимание на том, что ему — оператору — надо сделать, а не на том, как заставить это сделать манипулятор. Оператор должен
      действовать механическими руками, как своими собственными, и ощущать их действия, как он ощущает действия своих рук. Только при этом условии манипулятор будет копировать не столько движения рук оператора, сколько те программы движения, которые он мысленно формирует.
      И еще одно обстоятельство нужно иметь в виду, разбираясь в том, как действуют такие копирующие манипуляторы. Оператор в процессе управления приводит в движение все звенья управляющей руки, воздействуя своей кистью только на одно ее конечное звено — рукоятку. На рукоятке же имеются гнезда для большого и указательного пальцев, управляющих открытием и закрытием схвата исполнительной руки. Значит, манипулятор должен быть сконструирован так, чтобы несколькими независимыми движениями и соответственным числом усилий можно было удобно, управлять одной кистью. Другими словами, оператор все программы управления реализует в «коде» движений кисти. Манипулятор должен обладать хорошей управляемостью, легко и точно работать в этом коде.
      R, изолированной камере
      Теперь, разобравшись в основных предпосылках, на базе которых создаются копирующие манипуляторы, познакомимся с некоторыми представителями этого семейства. Вернемся для этого в лабораторию, фотография которой приведена на стр. 8. Как и многие другие лаборатории и предприятия подобного типа, она оснащена механическими манипуляторами, названными так потому, что звенья их управляющих и исполнительных рук связаны чисто механическими устройствами. Через толстую бетонную стену, отделяющую человека от опасной зоны, проходит стальная труба, по концам которой на шарнирах подвешены две руки — управляющая и исполнительная. Соответственные звенья этих рук попарно соединены между собой стальными лентами или тросами, посредством которых производится передача движения.
      По такой схеме выполнено большое число различных конструкций манипуляторов. Рассмотрим подробнее одну из них, разработанную в крупном атомном исследовательском центре США (Argonne National Laboratory — ANL) под руководством инженера Гоэрца (R. С. Goertz). Фотография дает представление о внешнем виде манипулятора, а его схема показана на следующем рисунке. По устройству «суставов» его руки не антропоморфны. Вместо шарнирного локтевого сустава применено сочленение с двумя степенями свободы — поступательным движением вдоль оси руки и вращательным — относительно этой оси. Две степени свободы имеет «плечевой сустав» — рука может поворачиваться вокруг продольной оси трубы и перпендикулярно ей. И, наконец, два вращательных движения совершает управляющая рукоятка и соответственно схват исполнительной руки. Как обычно, седьмая степень свободы — открытие и закрытие схвата.
      Не будем подробно разбираться в сложной схеме механизмов, связей и соединений, которая необходима, чтобы оператор мог по желанию приводить в движение одно или несколько звеньев руки, а остальные звенья оставались при этом практически неподвижными, чтобы движения управляющих рук манипулятора достаточно точно отрабатывались его исполнительными руками.
      Обратим внимание на некоторые особенности, характерные для любых механических манипуляторов.
      Механические манипуляторы обычно предназначаются для работй с грузами весом до 7 — 8 кг. Это близко к тому максимальному весу, которым может оперировать сколько-нибудь длительное время человек, не пользуясь никаким дополнительным источником мощности, кроме собственных мышц. А вес рук манипулятора? Он может намного превышать вес объекта манипулирования. Это не маленькая марионетка, которую кукловод целиком держит на весу. Естественно, возник вопрос о необходимости избавить оператора от этой пассивной нагрузки,, сделать так, чтобы вес всей конструкции не передавался на руки оператора. Для этого конструкция должна быть уравновешена. Уравновешивание достигается применением специальных противовесов, тогда оператору ужеше приходится удерживать тяжесть механических рук. Но применение противовесов, естественно, приводит к увеличению веса подвижных частей и их инерционности.
      Механическая связь, пожалуй, самый простой способ передачи движений, во при этом расстояние не может превышать нескольких метров. При больших расстояниях слишком значительными становятся суммарные деформации растяжения и изгиба лент и тросов, в силу чего заметно нарушается точность передачи движений и их синхронность.
      Чтобы дать представление о величинах таких деформаций, обратимся к конкретным примерам. С манипулятором, о котором мы только что рассказали, были проделаны следующие опыты. Схват исполнительной руки был закреплен неподвижно, к управляющей рукоятке прикладывалась сила величиной 8 кг, причем направление этой силы выбиралось так, чтобы оно совпадало попеременно с каждым из основных направлений движений. Опыты показали, что за «счет вытяжки лент и тросов, за счет люфтов и зазоров в сочленениях механизмов рукоятка смещалась в различных направлениях на различные величины, достигающие 50 — 60 мм; угловые рассогласования между неподвижным схватом и нагруженной рукояткой доходили до 3 — 8°. Естественно, что по мере увеличения расстояния между управляющей и исполнительной руками эти погрешности значительно возрастают.
      Передачи, используемые в механических манипуляторах, легко сделать обратимыми. Оператор имеет возможность дозировать усилия и чувствовать сопротивления, возникающие на схвате. Но и в этом случае механическая передача вносит свои «помехи». От действия сил тяжести звеньев и противовесов в подвижных сочленениях возникают силы трения; они возникают также в результате
      взаимодействия тросов и лент с блоками и шкивами, в зубчатых передачах, одним словом, во всех тех механизмах и устройствах, с помощью которых осуществляется передача движений и усилий. Величины сил и моментов трения при выполнении линейных и угловых движений, как показали опыты с тем же манипулятором, достигают соответственно 1 — 4 кг и 10 — 20 кгсм. Они снижают чувствительность конструкции к передаче усилий и к их отражению на руку оператора. С этим обстоятельством приходится считаться, и чтобы предельно уменьшить силы трения, в подвижных сочленениях манипулятора устанавливают шарикоподшипники.
      На руки гимнаста, выполняющего вращение на перекладине, действуют силы, значительно превышающие его собственный вес. Эти излишки возникают за счет «динамизма» его движений. Подобные динамические нагрузки испытывает оператор, приводя в движение руки манипулятора. Чем больше размеры подвижных звеньев и их массы, тем большие динамические нагрузки возникают в процессе движений, тем труднее оператору выполнять эти движения в сравнительно высоком темпе и с высокой точностью.
      Инерция звеньев и силы трения, упругие деформации, люфты и зазоры — неизбежные спутники любой механической конструкции. Они присущи механическим рукам любого типа и вместе с тем они проявляются по-разному в разных конструкциях.
      Идеальной была бы механическая рука, которая на каком угодно расстоянии повторяла бы все движения и усилия оператора и отражала их на его руку самым естественным образом. Таких идеальных конструкций нет. И оператор вынужден в процессе управления приспосабливаться к особенностям манипулятора; используя свое мастерство и навыки, компенсировать не только недостаточную (по сравнению с естественной конечностью) его подвижность, но и все те неизбежные неудобства, которые привносит реальная конструкция в виде дополнительного веса, сил трения, люфтов и зазоров.
      Совершенствование конструкции позволяет значительно уменьшить отрицательные воздействия этих неудобств, однако два из них органически присущи механическим манипуляторам. Одно связано с ограничением дистанции передачи движения; второе — с ограничением предельных величин нагружения, измеряемых возможностями оператора. Чтобы обойти эти ограничения, надо использовать для передачи движений от управляющих рук к исполнительным немеханические связи, и, кроме того, снабдить манипулятор внешним источником мощности, оставив за оператором только функции управления.
     
      Кнопочное управление
      Поворотом выключателя можно привести в действие электростанцию, находящуюся на каком угодно расстоянии. Совсем нетрудно сделать так, чтобы при нажатии кнопки включался электродвигатель мощностью в несколько киловатт, при нажатии второй кнопки — второй двигатель, при нажатии еще нескольких включались бы еще несколько двигателей. Остается от каждого из двигателей передать движения звеньям манипулятора, а все кнопки установить на одном пульте. Такова грубая схема манипулятора с кнопочным управлением, использованная в ряде конструкций. Эту схему можно уточнить, представив себе, что каждая «кнопка» позволяет не просто включить или выключить то или иное из движений. Кнопку легко превратить в рычаг или рукоятку, плавный поворот которой позволит плавно изменять скорость движения. Теперь ограничения дистанционности и усилий сняты, но возникают другие трудности.
      Сердце атомного ракетного двигателя — реактор — источник смертельно опасных излучений. Испытания двигателя ведутся в пустынной глухой местности, а затем наступает неизбежный этап исследований, связанный с разборкой двигателя и самого реактора, изучением результатов испытаний. Даже после длительного и интенсивного периода охлаждения реакторы сохраняют радиоактивность; разборка двигателя, смена его узлов и деталей должны вестить в изолированных помещениях (эллингах). При их выполнении приходится оперировать с деталями и узлами метровых размеров, весящими не одну сотню килограммов (няпример, разработанный по американской ядерно-ракетной программе NERVA реактор весит более 5 т). Поэтому эллинги должны быть оснащены механическими руками, размеры и грузоподъемность которых позволяли бы оперировать тяжелыми и громоздкими объектами.
      Манипулятор с кнопочным управлением.
      На небольшом пульте, который держит оператор, несколько «кнопок» и переключателей, управляющих двигателями, приводящими в движение звенья манипулятора
      На окраине одного из городов штата Невада расположены здания Национальной станции США, занимающейся вопросами усовершенствования ракет. Часть здания станции представляет собой эллинг высотой с четырехэтажный дом. На одной из его стен проложены массивные направляющие, по которым перемещается тележка, несущая центральную колонну гигантского манипулятора, разработанного фирмой «Дженерал электрик». Вдоль этой колонны вверх и вниз скользит консольное звено, обладающее, следовательно, двумя степенями свободы. С его свободным концом шарнирно сочленено первое звено манипулятора, его угол поворота относительно консоли ограничен стеной помещения. Следующе звено — предплечье — сочленено с плечом шарнирно, может относительно него совершать полный оборот и, кроме того, поворачиваться относительно второй оси, перпендикулярной оси шарнира. Длина предплечья может меняться. Лучезапястный сустав, так же как и локтевой, допускает поворот относительно одной оси и вращение относительно другой. Наконец, схват может открываться и закрываться.
      И этот манипулятор по своей структуре не антропоморфен, его сочленения устроены не так, как суставы естественной конечности. Но так же как крупные суставы руки, он сообщает схвату шесть, а с учетом открытия и закрытия схвата семь степеней свободы, которые нужны, чтобы оперировать в пространстве.
      Оператор сидит за бетонной стеной и через непроницаемое для вредных излучений стекло ведет наблюдение за тем, как отрабатываются все его команды. Он нажимает кнопки и поворачивает рукоятки. По электрическим коммуникациям необходимая энергия и управляющие сигналы поступают к двигателям и исполнительным механизмам.
      Таким образом, существенные ограничения, свойственные механическим манипуляторам, полностью сняты, но теперь возникают трудности, от которых были свободны манипуляторы копирующего типа. Там оператор, воздействуя на рукоятку управляющей руки, задавал и дозировал движения одновременно по нескольким или всем степеням свободы. Он «строил» движения самым естественным для человека способом, как правило, даже не задумываясь над тем, из каких элементарных перемещений и поворотов оно составляется. Здесь картина построения движения полностью изменилась. Кнопочная система вынуждает оператора разлагать выполняемые движения на отдельные элементы с помощью тех «кнопок», которые этим элементам соответствуют. Конечно, навыки позволяют оператору сравнительно быстро управлять многочисленными кнопками и рычагами, но, как показал опыт, быстрота и точность движений при кнопочной системе управления значительно ниже, чем при системе копирования.
      Второе ограничение, свойственное кнопочным системам, вытекает из того, что они не обладают свойством обратимости. Оператор не чувствует нагрузок, которые действуют на звенья манипулятора, и не может дозировать величину сил, необходимых для преодоления этих нагрузок.
      Когда вы поворачиваете рукоятку мясорубки, ваша кисть вместе с рукояткой описывает в пространстве точную окружность; рукоятка, подчиняясь усилию руки, вместе с тем направляет ее движение; тактильные ощущения и «темное» мышечное чувство позволяет вам, даже отвернувшись от мясорубки, успешно выполнить эту несложную работу. Рукоятку мясорубки можно повернуть с помощью копирующего манипулятора. Его способность отражать усилия поможет оператору построить движение задающей и исполнительной рук. Используя же для этого манипулятор с системой кнопочного управления, мы рискуем сломать либо мясорубку, либо манипулятор.
      Очувствленность копирующих манипуляторов позволяет работать с объектом, держа его двумя механическими руками. А вот замыкать два манипулятора с кнопочным управлением на один объект, если он «не резиновый», а затем пытаться перемещать этот объект в пространстве — опасная затея, которая может окончиться тем же,
      что попытка повернуть рукоятку мясорубки с помощью кнопочного манипулятора. Совсем не зря в механизмы передачи движения таких манипуляторов вводят предохранительные муфты, которые срабатывают тогда, когда действующие усилия превосходят допустимые величины.
      Решая те или иные частные задачи, взвешивая обнаруживающиеся «за» и «против» различных систем и конструкций, изучая опыт их применения, ученые, инженеры и изобретатели движутся обычным для технического прогресса путем. В области манипуляторов этот путь ведет к конструкциям, сочетающим в едином агрегате дистанционность, очувствление и использование внешних источников мощности.
     
      Глава третья
      РУКА С СЕРВОДЕЙСТВИЕМ
     
      Электрический вал
      Задача дистанционной передачи движения состоит в том, чтобы связать два одноименных звена управляющей и управляемой рук так, чтобы движение одного из них по возможности точнее повторяло движение другого. Конечно, проще всего соединить эти два звена, например, валиком. Такая передача обеспечивала бы точность тем более высокую, чем более жестким сделать валик. Мы уже знаем, что именно эта идея использована в механических манипуляторах. Дело мало меняется от того, что в них, наряду с валиками, используются ленты, тросы и другие механические системы. К сожалению, все они должны быть не слишком длинными.
      Для передачи движения на сравнительно большие расстояния в манипуляторах широкое применение нашли электрические системы, в частности так называемая сельсинная передача.
      Сельсин представляет собой устройство, по внешнему виду напоминающее небольшой электродвигатель. Но из него выходят пять проводов, а не три, как у обычных трехфазных электродвигателей. Когда два сельсина электрически соединены один с другим и, кроме того, подключены к источнику переменного тока, они образуют сельсинную передачу. Поворот ротора одного сельсина при определенных условиях вызывает поворот на тот же угол ротора другого сельсина. Если учесть, что между собой они соединены только проводами, то становится ясно, насколько удобен такой «электрический вал» для целей дистанционной передачи движения.
      Сельсин, ротору которого задают вращение, обычно называют сельсином-датчиком, сельсин, повторяющий это движение, называют сельсином-приемником. Сельсин, как и обычный электродвигатель, состоит из статора и ротора. Статор несет три обмотки, расположенные под углом 120° одна к другой, соединенные между собой одним из концов. Три других конца обмоток статора предназначены для передачи сигнала второму сельсину. Ротор сельсина имеет два полюса, несущих последовательно включенные обмотки, присоединенные к медным кольцам, укрепленным на роторе. К кольцам прижимаются металлические щетки, с помощью которых к ротору сельсина подводится электрическое напряжение.
      Принцип действия электрического вала сводится к следующему. Когда к обмоткам роторов обоих сельсинов подведено переменное напряжение, в них возникает переменное магнитное поле. Пересекая обмотки статора, оно наводит в них электродвижущую силу. Если теперь три обмотки статора одного сельсина замкнуть на три соответствующие обмотки другого, то по ним потечет переменный ток, причем если по обмоткам одного статора он течет «сверху вниз», то по обмоткам другого — «снизу вверх», и наоборот. Соответственно навстречу одно другому действуют магнитные поля, дополнительно возникающие в обоих статорах. А магнитные поля роторов направлены одинаково. В результате магнитные поля ротора и статора в одном сельсине имеют одинаковые направления, в другом противоположные.
      Соединим ротор первого сельсина (датчика) с одним из звеньев управляющей руки, второго (приемника) — с соответственным звеном исполнительной руки. Теперь движение задающей руки вызывает поворот ротора датчика. На* точно такую же величину при этом повернется суммарное магнитное поле статора приемника и увлечет за собой ротор приемника, а вместе с ним и звено исполнительной руки. В такой передаче сельсин-датчик работает как электрогенератор, преобразующий механическую энергию вращения ротора в электроэнергию. А сельсин-приемник работает как электродвигатель, осуществляющий обратное преобразование энергии. Как видим, это устройство полностью обратимо.
      Так действует простая сельсинная передача. Однако более или менее точной она остается лишь при ничтожной нагрузке на ведомой части системы; иначе сразу возникает погрешность, тем большая, чем больше момент сил сопротивления на роторе приемника. И пока здесь нет речи об использовании внешнего источника энергии, нет серводействия, усиливающего двигательные возможности человека. Придется эту простую систему передачи вращения несколько усложнить.
     
      Серводействие и очувствление
      Прежде всего вместо обычного сельсина-приемника придется ввести в нее так называемый дифференциальный сельсин. Такой сельсин воспринимает не один, а два сигнала: 1) в форме напряжения заданной величины, подводимого к обмоткам статора, и 2) в форме заданного угла поворота ротора. При этом выходным сигналом служит напряжение, отводимое с обмоток ротора.
      Соединим электрически дифференциальный сельсин с сельсином-датчиком, связанным с ведущим звеном. При повороте ротора датчика в обмотках ротора дифференциального сельсина возникает напряжение, пропорциональное разности положений обоих роторов. Будучи усиленным, оно может быть использовано для целей управления сравнительно мощным электродвигателем, приводящим во вращение соответствующее звено исполнительной руки манипулятора. Только ничтожная доля мощности от этого внешнего источника будет израсходована для поворота ротора дифференциального сельсина, и когда ведомое звено займет то же положение, что и ведущее, напряжение, управляющее двигателем, будет равно нулю.
      Мы получили хорошо известную и широко применяемую в системах автоматического управления следящую систему с серводействием и с обратной связью, функции которой осуществляются путем передачи вращения от ведомого звена к ротору дифференциального сельсина.
      Используя серводействие, можно управлять движением тяжело нагруженного ведомого звена, прикладывая очень малые усилия к ведущему звену манипулятора, но... рука оператора потеряла связь с нагрузкой. На фоне сил трения и инерционных воздействий оператор уже не ощущает изменений рабочих нагрузок на исполнительной руке и теряет возможность правильно дозировать свое усилие.
      Вновь возникает необходимость дополнить систему передачи движения.
      Теперь она включает уже не один, а два силовых двигателя. Первый по-прежнему приводит в движение звено исполнительной руки; второй двигатель присоединен к звену задающей руки, причем момент, развиваемый этим двигателем, по величине пропорционален моменту, развиваемому первым двигателем, но направлен в противоположную сторону. Будучи приложенным к управляющему звену, момент второго двигателя нагружает руку оператора и вызывает у него соответствующие кинестетические ощущения; уровень этих ощущений можно регулировать, изменяя настройкой усилителя величину нагрузки. Так следящую систему снабдили не только серводействием, но еще и свойством обратимости. Асимметрию в эту систему вносит только коэффициент усиления, регулирующий уровень очувствления, другими словами, уровень нагрузки на руку оператора в долях от уровня нагрузки на манипуляторе. Такими или подобными приводами оснащаются все подвижные сочленения манипулятора. Теперь можно считать, что предварительное ознакомление с большим числом конструкций, получивших широкое применение в практике, закончено. А в качестве примера возьмем один из последних вариантов манипулятора, разработанного в Атомном центре США (рисунок на стр. 43).
      Прежде всего заметим, что как задающая, так и исполнительная руки уже не содержат поступательных сочленений, они стали более антропоморфны. Две степени свободы имеют их плечевые суставы, одну — локтевые, три — лучезапястные, одну — схват. Эти семь стандартных степеней свободы рук дополняются десятью степенями свободы, управляемыми кнопочной системой. С ее помощью каждую из рук можно перемещать вдоль трех осей и поворачивать около двух осей. Таким образом, здесь система синхронного движения рук дополнена возможностью их независимого движения, возникшей в результате отсутствия между ними непосредственных механических связей.
      Конструкции обеих рук практически одинаковы. Каждая из них порознь уравновешивается специальными противовесами, каждая подвешена к довольно громоздкому «туловищу», в котором плотно скомпонованы все элементы обратимых следящих сервосистем. (Конечно, хорошо бы совместить каждый из приводов непосредственно с тем сочленением, на которое он воздействует, но сделать это без значительных ограничений возможностей системы пока никому не удалось, даже... Природе. Так, мышцы, управляющие сгибанием и разгибанием фаланг пальцев, расположены на предплечье и передают движение фалангам с помощью длинных тяг — сухожилий.) С помощью металлических лент, тросов и других механических устройств все движения управляющей руки передаются в ее корпус; там они преобразуются во вращение роторов сельсинов и затем в электрические сигналы. А в корпусе исполнительной руки происходит обратное преобразование: электрические сигналы превращаются в повороты сельсинов и силовых двигателей, а затем через систему тяг, лент и передач — в движение ее звеньев.
      Казалось бы, использование внешнего источника мощности позволяет в такой системе, как и в системе с кнопочным управлением, многократно усиливать действия оператора. В действительности, однако, коэффициент усиления приходится ограничивать величиной 3 — 4. Ограничение накладывается обратимостью системы, вследствие которой при возникновении неисправностей может сложиться ситуация, когда нагрузка, приложенная к исполнительной руке, полностью передается на управляющую руку. При больших нагрузках (требующих больших коэффициентов усиления) оператор может стать бессильным против вдруг «взбунтовавшейся» рукоятки и окажется в опасности.
      И еще одно важное обстоятельство, связанное с серводействием, следует отметить. Оператор, освобожденный от тяжелой физической нагрузки, стремится работать в естественном темпе с привычной ему скоростью. Следящая система должна «успевать» отрабатывать все его команды, иначе оператор будет испытывать дополнительные сопротивления, вызывающие стеснение привычных движений и повышенную утомляемость. Как показали опыты, при «вялой» сервосистеме уже при скорости 0,5 м/сек у оператора возникает ощущение, будто руки манипулятора движутся не в воздухе, а в патоке, и быстро наступает утомление. Когда система свободно «пропускает» скорости порядка 1 м/сек, это ощущение исчезает, естественный ритм движения оператора не вызывает столь быстрого утомления. Необходимость иметь специальные обратимые следящие системы, удовлетворяющие особым требованиям, — специфическая особенность манипуляторов с ручным управлением. Именно поэтому о ней здесь так подробно говорится.
     
      Биотехническая система
      Как видите, к системам, уже обладающим серводействием, дистанционностью, чувствительностью, предъявляются все новые и новые требования, которые диктуются стремлением все теснее «связать» человека и машину, оператора с манипулятором. Они работают «рука об
      руку», образуя единую биотехническую систему. Естественно, что эффективность работы такой системы в значительной мере зависит от того, насколько хорошо «подогнаны» одна к другой обе ее части.
      Как покупатель подбирает костюм или туфли, чтобы они нигде не жали, не тянули, не заставляли горбиться, так и создатели манипуляторов вынуждены приспосабливать и подгонять их размеры, кинематические и динамические свойства к требованиям, выдвигаемым человеком. Среди этих требований одно из первых касается свойства, которое можно было бы назвать управляемостью манипулятора. Оно целиком связано с такими не очень четко очерченными понятиями, как удобство, легкость ручного
      управления. Знакомое нам уже требование, чтобы эксплуатационные скорости сервосистем манипулятора хорошо согласовывались со скоростями естественных движений человека, также представляет одну из сторон, характеризующих уровень управляемости.
      Стремление повысить управляемость, создать более совершенную конструкцию реализуется различными путями. Естественное направление — повышение подвижности, гибкости манипулятора.
      Десять лет назад фирмой Дженерал электрик был построен манипулятор «Хэндимен» («Handyman»), обладающий 10 степенями свободы. Шесть степеней свободы, необходимые для переноса и ориентации объекта, здесь дополнены четырьмя степенями подвижности схвата. Это уже не простой инструмент на манер плоскогубцев, а некоторое подобие двупалой руки; каждый палец имеет независимые приводы и состоит из двух фаланг. Нетрудно понять, что повышение подвижности схвата облегчает работу с объектами, имеющими различные размеры и формы.
      Оператор демонстрирует высокое качество воспроизведения движений, вращая исполнительной рукой манипулятора кольцо подобно тому, как гимнасты вращают его корпусом
      руки оператора «рукавицей», в которой размещаются устройства передачи движения пальцев сервосистемам. Последние построены с применением электрогидравличе-ских систем, использующих гидропривод вместо электрических двигателей. В конструкции нет металлических лент, тяг и тросов, процессы передачи энергии, управляющей информации, сигналов очувствления выполняются посредством электрогидравлических систем.
      «Хэндимен» построен в единственном экземпляре, поскольку широкому внедрению его в практику препятствует высокая стоимость. Тем не менее эта разработка представляет несомненный интерес и за рубежом расценивается весьма высоко.
      Может возникнуть вопрос, так ли уж необходимы работы по усовершенствованию механических рук? На это можно твердо ответить: «Да, необходимы». Кукловод, управляющий движениями марионетки, — артист высокой квалификации. Не менее высокой квалификации требует работа оператора, причем подчас она сопряжена с чрезвычайно высокой ответственностью. И хорошо известно, что оператору гораздо легче работать на конструкциях, обладающих высоким антропоморфизмом, обеспечивающих ему в максимальном объеме «эффект присутствия» в рабочей зоне.
      Представление о том, насколько сложны функции оператора даже при условии, что он работает на наиболее совершенных системах, дают результаты исследований, проведенных учеными по следующей методике. Было разработано несколько не очень сложных двигательных задач, которые следовало выполнить при различных условиях, в частности при различных расстояниях между оператором и объектом манипулирования.
      Выяснилось, что в среднем выполнение работы с помощью манипулятора занимает в пять раз больше времени по сравнению с тем, которое необходимо при работе непосредственно руками. Так обстояло дело, когда расстояние до объекта составляло всего 2 м, а когда это расстояние увеличили до 3,5 м, проигрыш во времени стал десятикратным. Это означает, что вместо одного специа-
      листа, который нужен, если выполнять работу вручную, необходимо 5 — 10 специалистов и еще 5 — 10 манипуляторов; вместо одного рабочего места 5 — 10 рабочих мест. А объем работ, требующих применения манипуляторов, растет и будет еще быстрее расти в самом ближайшем будущем.
      При более сложных задачах приведенные выше соотношения еще более меняются в невыгодную сторону. Взять одной рукой коробок спичек, другой открыть его, достать спичку и зажечь ее — секундное дело. С помощью манипулятора оно занимает полминуты-минуту, а то и больше. Ну, и пока нам неизвестно, удалось ли кому-нибудь за какое угодно время механическими руками вдеть нитку в иголку.
     
      В рабочем объеме
      Уже несколько раз мы говорили, что механическая рука должна иметь по меньшей мере семь степеней свободы. Только при этом условии ею можно взять объект, доставить его в некоторую точку пространства и произвольным образом в этой точке ориентировать. Теперь следует вернуться к этому исходному положению и разобраться подробнее в геометрии руки и возможностях действовать ею в пространстве. Во всех случаях будем иметь в виду конструкцию, составленную из трех звеньев — плеча, предплечья и кисти, имеющую только вращательные сочленения.
      С первого взгляда может показаться, что такой рукой, ее схватом, действительно легко орудовать в любой точке пространства, ограниченного описанной ею сферой. Однако если немного подумать, станет ясно, что дело обстоит далеко не так. Прежде всего вообще выпадает часть сферы, занимаемая корпусом манипулятора, к которому прикреплены его рука или руки. А на границе сферы возможности манипулирования сводятся к минимуму, остается лишь возможность поворачивать вытянутую полностью руку вдоль ее продольной оси.
      Когда схват находится внутри сферы, в некотором удалении от ее границы, двигательные возможности руки оказываются более богатыми, поскольку ее можно при этом поворачивать, не только вдоль собственной оси, но еще и вдоль двух других осей пространства. Однако пределы, в которых можно производить такое манипулирование, все же сравнительно узки, и не может быть речи о том, чтобы ориентировать схват действительно произвольным образом. В других точках внутри рабочего объема манипулятора возможности манипулирования оказываются более широкими, но и им свойственны те или иные ограничения. Иными словами, в разных точках рабочего пространства манипулятора его рука имеет различные двигательные возможности, более или менее ограниченные.
      Два фактора определяют объем этих ограничений и, значит, манипулятивность руки. Один из них — конструктивный. Устройства шарниров и сочленений, размеры звеньев, обеспечивающие прочность и жесткость всей конструкции, необходимость встроить в нее узлы и элементы систем привода, управления и очувствления — все эти конструктивные особенности диктуют поперечные размеры звеньев, стесняют пределы их относительного движения и, значит, ограничивают возможности манипулирования. Другой фактор — геометрический. В задании на проектирование манипулятора, которое получает конструктор, обычно указывается только общая длина руки и ничего не говорится о том, как эту длину разделить между тремя звеньями — плечом, предплечьем и кистью. Вместе с тем легко показать, что манипулятивность руки очень сильно зависит от геометрии ее членения. Например, если при постоянной общей длине руки, сохранив неизменной длину кисти, сильно укоротить предплечье, соответственно удлинив плечо, рабочий объем и возможности манипулирования сильно сузятся. Примерно то же случится, если чрезмерно удлинить предплечье в ущерб длине плеча.
      Как же следует выбирать пропорции искусственных рук? Обычно конструктор решает эту задачу «на глазок». Либо, что подчас кажется вполне обоснованным, заимствует свои решения у естественного прототипа, расчленяя свою конструкцию в тех же пропорциях, в каких расчленена живая рука. Попробуем обсудить, насколько плодотворен такой бионический подход, а затем посмотрим, как еще может выглядеть решение задачи выбора оптимальной геометрии искусственной руки.
      Объем и богатство движений — манипулятивность — главное свойство живой руки, которое конструктор стремится воспроизвести в ее грубой искусственной копии. Объемы и амплитуды движений живой руки заранее никак не предопределены. Природа на протяжении многих лет совершенствовала руку, стремясь создать систему, обладающую предельной подвижностью, гибкостью, одним словом, максимальной манипулятивностью. Конечно, опять-таки с учетом неизбежных ограничений.
      О каких ограничениях здесь идет речь? Некоторые из них нам уже знакомы. Они подобны тем, с какими сталкивается конструктор искусственных рук. Необходимость обеспечить «прочные» размеры всей конечности и ее сочленений, расположить на них многочисленные двигатели — мышцы, кровеносную и нервную сеть, жировой и кожный покровы — определяют поперечные размеры отдельных частей руки и существенно ограничивают ее ма-нипулятивность. Существуют и ограничения, специфические для живого организма. В нем нет сочленений, допускающих поступательное движение одного звена относительно другого, и нет сочленений, допускающих вращение одного звена относительно другого на полный оборот. Эти ограничения диктуются, вероятно, тем, что иначе было бы очень сложно обеспечить кровоснабжение всех участков тела, передачу управляющих сигналов, сигналов очувствления.
      При создании искусственной конечности человек заимствует у Природы постановку задачи — создать устройство, обладающее максимальной гибкостью и подвижностью, могущее выполнять максимальное разнообразие манипуляций. Что же касается ограничений, которые приходится учитывать, то здесь совершенно незачем следовать живому прототипу. Конструкторы этого и не делают. В любом манипуляторе имеются сочленения, не встречающиеся в живой природе, например, допускающие относительные вращения; по-другому, чем в живой руке, распределяются по отдельным суставам степени свободы, по другому принципу действуют двигатели и т. д.
      И есть еще одна причина, в силу которой оказывается неправомерным использование прямого подобия живой руке при выборе геометрии манипулятора. Рука оканчивается кистью, вооруженной пальцами, — необычайно подвижными и гибкими «инструментами»; кисть и пальцы чрезвычайно расширяют манипулятивность руки. Это обстоятельство, несомненно, повлияло на ее геометрию, сложившуюся в процессе всего эволюционного развития. Разница в подвижности между, живой кистью и простым схватом слишком велика, чтобы не учитывать ее при создании манипуляторов.
      Так, выбив из-под собственных ног, казалось бы, вполне устойчивую опору, вновь возвращаемся к вопросу, как же все-таки следует расчленять искусственную руку? какова должна быть ее геометрия?
     
      Метод объемов
      Все рабочие процессы, выполняемые рукой манипулятора, сводятся в конечном счете к тому, чтобы подводить ее схват под любым углом к любой точке рабочего пространства, различным образом ориентировать и перемещать схват вместе с объектом или относительно него.
      Представим себе, что манипулятор взял схватом объект пренебрежимо малых размеров, неподвижно расположенный в некоторой точке. Теперь будем двигать руку в пространстве так, чтобы ее кисть со схватом поворачивались вокруг этой неподвижной точки, будто соединенные с ней шаровым шарниром. Теперь манипулятор превратился в пространственный механизм. Его конструкция и размеры полностью определяют величину пространственного угла, в пределах которого можно устанавливать и поворачивать одно из звеньев — кисть, другими словами, определяют возможный объем манипулирования в этой точке.
      Переместим объект манипулирования в другую точку пространства. Конфигурация механизма при этом изменится, нам придется повторить процедуру расчета величины пространственного угла, характеризующего ма-нипулятивные свойства руки в этой новой точке.
      Наметим в пределах всего рабочего объема манипулятора пространственную сетку точек и для каждой из них определим пространственный угол манипулирования, а затем найдем среднюю величину этого угла для всего рабочего объема. Есть очевидные основания высказать предположение, что чем больше эта величина, тем более гибок и подвижен манипулятор, для которого она рассчитана, тем выше одно из основных его качеств — манипулятивность.
      Таким образом, не рассматривая ни одной конкретной двигательной задачи, мы вместе с тем получаем представление о двигательных возможностях манипулятора: представление не частное, а интегральное, относящееся ко всему объему доступных ему движений. Как видите, принцип, на котором основывается этот расчетный метод, хорошо согласуется с принципом, положенным в основу создания живой руки.
      Величина пространственного угла манипулирования в любой точке рабочего объема зависит от длин звеньев и объема конструктивных ограничений, наложенных на их относительную подвижность. Зная это, можно сформулировать задачу оптимального членения руки: очевидно, надо выбрать такие длины звеньев и добиваться такого распределения ограничений их относительной подвижности, чтобы средний по всему рабочему объему угол манипулирования достигал максимальной величины.
      Решение этой задачи оптимального проектирования в полном объеме, т. е. с учетом длин всех звеньев руки и пространственного характера ограничений их относительных движений, представляет большие трудности. Но идея и подход к решению, лежащие в основе такого метода оценки объемных свойств, уже нашли применение как при анализе существующих конструкций манипуляторов, так и при конструировании новых образцов.
      «На глазок» только случайно можно расчленить и сконструировать механическую руку так, чтобы ее объемные свойства приближались к оптимальным в том смысле, который мы вложили в это понятие. Мало заметные глазу перераспределения длин звеньев и ограничений их относительной подвижности существенно влияют на распределение величин углов манипулирования по всему рабочему объему и на их среднее значение.
      Для тех или иных приложений не все зоны рабочего объема манипулятора могут оказаться одинаково равноценными. Например, при работе в горячих камерах основная масса манипуляций производится над рабочим столом. Метод объемов позволяет выбрать размеры конструкции так, чтобы в нужных зонах условия манипулирования были наилучшими.
      Стремление «выжать» из конструкции максимум возможного диктуется важным обстоятельством, которое стало ясно в результате применения метода объемов.
      Выяснилось, что манипулятивные свойства искусственных рук не так высоки, как это казалось с первого взгляда. Чтобы правильно понять такой вывод, надо учесть следующее. Мы оцениваем свойства руки пространственным углом манипулирования. Он достигает в той или иной точке рабочего объема максимальной величины, если вокруг этой точки схват может описать полную сферу. Только в этом случае кисть можно будет устанавливать и поворачивать относительно объекта действительно совершенно произвольно, возможности манипулирования окажутся неограниченными. Расчеты же показывают, что если выделить во всем рабочем объеме манипулятора такую область произвольного манипулирования, то она займет только малую его часть, во всех остальных частях рабочего объема возможный уровень манипулирования оказывается в той или ивой мере ограниченным.
      Зона произвольного манипулирования — это та зона, в которой манипулятор занимает самое «удобное» положение для построения различных движений. Можно утверждать, что другие положения руки манипулятора в среднем менее «удобны» и, опираясь н,а метод объемов, в конечном счете получить количественную оценку такого смутно очерченного понятия, как удобство работы, удобство управления, получить одну из количественных оценок управляемости манипулятора.
      Обсуждение манипулятивных свойств позволяет сделать ряд других заключений. Не имея возможности остановиться на них подробно, отметим, что они относятся к ручному управлению машиной, к такому способу взаимодействия оператора с манипулятором, при котором оператор функции управления выполняет вручную, посредством движений рук. Но «код движений» не единственный способ, когда речь идет о контактах человека с техническим устройством. Их «деловую связь» можно осуществить и другими методами. Некоторые из них уже использованы в манипуляторных системах, другие, хотя еще и не получили применения, но в теоретических разработках выглядят весьма перспективными. Вероятно, читателю будет интересно ознакомиться с подобными «эксцентричными» системами управления.
     
      Глава четвертая
      БИОТОКИ УПРАВЛЯЮТ
     
      Дискуссия о лягушачьей лапке
      В разных вариантах рассказывают историю о том, как профессор медицины Болонского университета Луиджи Гальвани открыл «животное электричество». Один из вариантов, согласно которому серьезный творческий вклад в это открытие внесла супруга ученого, выглядит примерно так.
      В один из вечеров 1790 г. Гальвани занимался дома со своими учениками. У камина сидела синьора Гальвани и, прислушиваясь к беседе, одновременно стальным скальпелем снимала кожу с лягушек, предназначенных для ужина. Последняя очищенная лягушка лежала на оловянной тарелке. В это время синьора Гальвани, заслушавшись, уронила скальпель. Стальной нож упал на лапку лягушки, а другим концом коснулся оловянной тарелки. И в тот же момент лапка дернулась так, словно мертвая лягушка собралась выпрыгнуть из тарелки.
      После этого бесстрашная синьора будто бы уже умышленно повторила опыт, а после ухода учеников рассказала о нем мужу.
      Тут-то Гальвани и осенило.
      — Жена! — воскликнул он. Я сделал великое открытие: я открыл животное электричество — первичный источник жизни.
      Выдающимся открытиям и изобретениям всегда сопутствуют удивительные истории (сильно смахивающие на сказки) о том, как эти открытия или изобретения были сделаны.
      Открытие Гальвани вполне заслуживает того, чтобы о нем рассказывали всякие истории. Именно с этого открытия начинается первая страница изучения биологического электричества, хотя сам Луиджи Гальвани неправильно истолковывал результаты своих опытов.
      Животное электричество существует, но чтобы его обнаружить, надо иметь дело не с мертвым, а с живым организмом. Это понял итальянский физик Алессандро Вольта, спор которого с Гальвани (еще одна история!) длился много лет. Вольта не верил в таинственную «жизненную энергию» мертвой лягушки и в знаменитых опытах Гальвани отвел ее лапке довольно скромную роль. Он понял, что причина возникновения электрического тока связана со взаимодействием различных металлов скальпеля и тарелки; он открыл, что поместив два различных металла в жидкость, можно получить источник электрической энергии; в развитие своего открытия он изобрел (спустя 10 лет после начала его спора с Гальвани) «вольтов столб», первую в мире электрическую батарею — источник электрического тока.
      Эта вторая история еще раз подтверждает хорошо известные читателю факты, что Гальвани и Вольта были выдающимися учеными, а кстати еще и свидетельствует в пользу открытой научной дискуссии, которая обязательно становится «плодоносящей», если даже только один из участников отчетливо понимает ее предмет.
      Дискуссия о лягушачьей лапке породила обильный поток открытий и изобретений. С нее начиняется и целая отрасль биофизики — электрофизиология, изучающая законы и механизмы «животного электричества».
      Лягушачья лапка в опытах Гальвани служила жидкой средой, которая вместе с разнородными металлами скальпеля и тарелки образовывала гальванический элемент (так скромный Вольта назвал в честь Гальвани свой «вольтов столб»), а мышцы на лапке сокращались под действием не животного электричества, а внешнего электрического тока. Лягушачья лапка являлась не генератором электротока, а только индикатором электрической активности всего элемента.
      Со времен Гальвани и Вольта прошло без малого 200 лет, и уже давно и хорошо известно, что живая ткань может не только проводить, но и генерировать электричество, что электрические сигналы лежат в основе систем управления всеми двигательными механизмами живого организма. Электрические токи, генерируемые живой тканью, или, как их называют, биотоки, порождаются нервными клетками в результате совершающегося в них биохимического процесса. И хотя природа этого процесса до конца еще далеко не познана, его внешнее проявление — биотоки, их свойства, функции, способы распространения по живым тканям изучены уже сравнительно глубоко и подробно.
      Обнаружилось, в частности, что электрические импульсы генерируют самые различные представители живой природы — растения и животные.
      Изучение растений из скромного семейства бобовых показало, что через их корневую систему течет электрический ток. Правда, его сила очень невелика, она не превышает тысячных долей микроампера на 1 мм2 поверхности, но он есть!
      Наиболее мощным генератором биоэлектричества являются некоторые породы рыб. Электрические скаты и угри способны создавать разряды напряжением до 500 вольт, несущие мощность, достаточную, чтобы временно парализовать, а то и убить другого обитателя моря. Они вырабатываются в биологической «электробатарее», представляющей собой систему последовательно-параллельно включенных миниатюрных клеток-элементов. Каждый из таких элементов дает напряжение в пределах 50 — 150 милливольт.
      Наряду с породами рыб, использующими высоковольтные разряды для обороны и нападения, существуют рыбы, применяющие маломощные электроимпульсные системы уже не в качестве оружия, а для целей навигации. Такой своеобразный биологический вариант радара работает на частотах около 1500 импульсов в секунду, причем некоторые виды рыб различают в воде изменения уровней потенциалов на величину порядка 0,03 микровольта на сантиметр. «Прислушиваясь» к состоянию и изменениям отраженного электрического поля, они обнаруживают самые незначительные препятствия и избегают их, что иначе не удалось бы сделать в полной темноте глубоководья.
      Ярко выраженные примеры воздействия электрических полей на те или иные функции организмов животных привели ученых к мысли заняться вопросами влияния подобных факторов на человека. Сейчас биофизики вплотную занимаются исследованиями в этой области и уже успели обнаружить, что такие физические процессы, как ионизация воздуха, космические излучения, магнитные поля, вспышки на Солнце, существенно влияют на физическое и психическое состояние человека. Однако из обширного комплекса вопросов, связанных с биоэлектрической активностью, в данном случае нас интересуют лишь те, которые относятся к системам биоэлектрического управления. Именно о таких системах и пойдет дальше речь.
     
      «Почти» как машина
      Как человек реализует целенаправленный двигательный акт? Отвечая на этот вопрос, не будем обсуждать, как возникает желание сделать то или иное движение, т. е. процессы, протекающие в центральной нервной системе — мозгу человека, считая, что этот таинственный процесс уже дал свои плоды и человек твердо решил вдеть нитку в иголку. Нас интересует только «голая техника» реализации необходимых для этого движений и общая схема управления ими.
      Мы уже знакомы с устройством механизма руки в объеме, необходимом, чтобы получить представление о геометрии ее движений. Осуществляют эти движения, позволяя человеку преодолевать сопротивления, изменять скорость движения, дозировать усилия, скелетные мышцы, состоящие из множества прилегающих одно к другому волокон толщиной в 10 — 100 микрон. Все вместе они составляют веретенообразную конструкцию, которая посредством сухожилий прикреплена одним концом к одному звену, другим — к другому, образующими таким образом подвижные сочленения — суставы рук.
      Отдыхающая мышца мягка и может вытягиваться, как резина. Но если ее возбудить, приложить к ней кратковременно электрическое напряжение — электрический импульс (как это непроизвольно получилось в опыте у синьоры Гальвани), почти мгновенно свойства мышцы меняются: она твердеет, напрягается при попытке ее растянуть. В таком напряженном состоянии мышца находится очень недолго — от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды, а затем снова наступает
      расслабление. Чтобы вновь ее «включить», понадобится еще один электрический импульс.
      Импульсы поступают из центральной нервной системы, состоящей из головного и спинного мозга. Основным элементом этой системы служит нервная клетка — нейрон, количество нейронов в центральной нервной системе измеряется десятками миллиардов. Нейрон состоит из так называемого тела, многочисленных коротких отростков — дендритов и одного отростка — аксона, зачастую очень длинного по сравнению с размерами тела клетки.
      Размеры нейронов не поддаются никакой стандартизации, они колеблются в широких пределах: от микрона до сотен микрон. В таких же пределах варьируются диаметры отростков — дендритов и аксона. Только длина последнего значительно отличается от этих микроскопических размеров. Так, нервные клетки, управляющие мышцами, сгибающими и разгибающими палец руки, располагаются в спинном мозгу; аксоны этих клеток тянутся вдоль руки, достигая более чем полуметровой длины. «Кабели», содержащие тысячи и тысячи нервных волокон, способных проводить биоэлектричество, проложены по всему телу, соединяя мозг с мышцами.
      Как выглядит эта нервно-мышечная структура?
      Мышечные волокна объединяются в группы, включающие десятки, а то и сотни и тысяч волокон. К каждой такой группе присоединяется одно нервное волокно, связывая ее с соответствующей нервной клеткой центральной нервной системы. Такой элементарный нервно-мышечный комплекс называют моторной единицей. Размеры и мощности моторных единиц определяются в первую очередь функциональным назначением мышц, в состав которых они входят. Например, моторная единица нижней конечности человека может содержать 600 волокон при диаметре ее около 1,5 мм с присоединенным к ней аксоном толщиной около 10 микрон. Такая единица способна развивать усилие порядка 150 г. А моторная единица мышц, приводящих в движение глазное яблоко, включает всего 10 мышечных волокон, развивает очень малые усилия, зато обладает более высокой мобильностью. Каждая мышца — набор моторных единиц, совместно работающих по «программе», вырабатываемой центральной нервной системой. Однако совместно не означает одновременно или синхронно.
      В мозгу сосредоточены нервные клетки, управляющие работой мышц, движениями плеча и предплечья, кисти и мизинца, движениями глазных век, голосовых связок и т. д. Из мозга к мышцам непрерывным потоком текут командные электрические импульсы. Следуя с той или иной частотой, они заставляют мышцы напрягаться и расслабляться, сокращаться и удлиняться, развивать усилия, вызывать движения. Управляя частотой импульсов, мозг управляет состоянием мышц — управляет работой живых двигателей.
      Сеть, проводящая команды из мозга к мышцам, образует эфферентную систему, афферентная система несет в мозг информацию об уровнях мышечного напряжения, о положениях и скорости движения суставов. Эти сигналы порождаются в нервных клетках, спрятанных в толще мышц, в сухожилиях. От моторной единицы, от мышц и суставов в центральную нервную систему движется афферентный поток электрических импульсов, осуществляющий функции обратной связи.
      В мозгу происходит сопоставление двух этих потоков и вырабатываются корректирующие сигналы и текущие программы управления. В их формировании принимает участие еще одна нервная сеть, обслуживающая наши органы чувств. Живые приборы — рецепторы, с помощью которых мы видим и слышим, осязаем и обоняем, чувствуем температуру, различаем вкус и сохраняем положение равновесия, получают из внешнего мира информацию в форме микроскопических порций энергии определенного вида, в форме тех или иных ощущений, и по нервной сети передают ее в мозг, предварительно преобразуя в последовательности электрических импульсов. Наш мозг воспринимает информацию не в виде понятий «тепло» или «холодно», «светло» или «темно», «сладко» или «кисло», а в форме электрических импульсов.
      Нервная сеть образует единую систему связи и управления, действующую в дискретном частотно-импульсном биоэлектрическом коде. Во всех отделах этой системы частоты распространения управляющих сигналов измеряются несколькими герцами в нерабочем состоянии и сотнями герц в рабочем режиме. Уровень этих сигналов достигает 120 — 150 милливольт, а скорость их прохождения 2 — 100 м в секунду. Эта система обслуживает, в частности, 206 подвижных сочленений — механизмов человеческого тела, покрытых 639 мышцами — двигателями, и сообщает ему такое богатство поз и движений, каким не обладает ни одна машина. И вместе с тем живая система управления, подобно системе управления машиной, состоит из своеобразных емкостей и сопротивлений, реле и проводов, переключателей и усилителей. Человек сделан «почти» как машина — биологическая, но машина.
      Если чисто формально подойти к оценке «конструкции» человека, удивляет, что такая развитая в биоэлектрическом отношении система взаимодействует с внешним миром исключительно через движения. Почему звуковые колебания больше подходят для обмена мнениями, чем, например, электромагнитные? Почему зрение, полезное при свете дня, не дополняется живым радарным устройством?
      Но если отсутствие активных биоэлектрических «выходов» кажется странным, то отсутствие в этой «конструкции» каких-либо биоэлектрических «розеток», «контактов», годных для целей регистрации и измерений биоэлектрической активности, является с позиций сегодняшнего дня уже просто ее серьезным «недостатком». Ученые и инженеры вынуждены тратить много усилий на создание систем и устройств, призванных компенсировать этот недостаток. С помощью электроэнцефалографии регистрируются биотоки мозга, электрокардиограммы отражают биотоки сердца, в последние годы важное место в нейрофизиологии занимает электромиография — метод изучения биоэлектрических процессов, протекающих в живой мышце. Искусственные устройства для отведения биотоков открывают перед человеком новые пути к познанию самого себя и новые способы взаимодействия с техническими устройствами, управления ими.
     
      Биоточный манипулятор
      Летом 1960 г. в Москве проходил Первый международный конгресс по автоматическому управлению. Во время одного из докладов на сцену поднялся юноша, подошел к доске и, взяв мел, под аплодисменты присутствующих написал на ней: «Привет участникам конгресса!» Аплодировали ему потому, что юноша брал мел и писал на доске не живой рукой, которую он потерял в результате травмы и последующей ампутации, а протезом предплечья с биоэлектрическим управлением... Идея биоэлектрического управления получила первое непосредственное практическое приложение.
      Созданию первых образцов таких протезов предшествовало около пяти лет упорной работы группы советских ученых. Идею, на которой основывалась эта работа, теперь легко понять. «Программу» действий живого организма мозг зашифровывает в виде потоков электрических импульсов и направляет затем по нервной сети ко всем исполнительным органам. Но ведь и программы работ многих машин зашифровывают и направляют к исполнительным механизмам в виде потоков электрических импульсов. Так работают электронные цифровые вычислительные машины, так устроены станки с цифровым управлением, системы и устройства цифровой техники.
      Само собой разумеется, что природа биоэлектрических сигналов совершенно не та, что технических. Но это не мешает принять такой способ сигнализации в качестве единого кода для живого существа и технического устройства, когда они должны тесно взаимодействовать между собой. А для того, чтобы реализовать этот новый способ связи и управления в комплексе, включающем одновременно и биологическую и техническую подсистемы, человека и протез, достаточно отвести от мышц человека биотоки и использовать их для целей управления техническим устройством. Примерно так и был сформулирован предмет советского изобретения *.
      В 1957 г. был построен первый макет биоэлектрической системы управления, оформленный в виде искусственной кисти руки, управляемой биотоками мышц, сгибающих и разгибающих пальцы. Биотоки отводились с помощью накладных электродов, размещенных в специальном браслете, который закреплялся на предплечье оператора в области расположения управляющих мышц.
      Биоэлектрический сигнал используется для управления движением игл золотников. Давление жидкости от гидронасоса передается в ту или иную полость цилиндра, при этом поршень движется в одну или другую сторону, сжимая или открывая кисть манипулятора
      представляют собой суммарный эффект действия множества моторных единиц данной мышцы, а также многочисленных колебаний, наводимых соседними мышцами и создающих дополнительный шумовой фон. Поэтому прежде всего необходимо обработать этот сложный сигнал, чтобы можно было выделить из него полезную информацию о командах, поступающих из центральной нервной системы в мышцу и регулирующих уровень ее напряжения.
      В качестве носителя полезной информации в системах биоэлектрического управления пока использован только один параметр сигнала — его интенсивность. Отведенные биопотенциалы усиливаются, после чего выделяется огибающая кривой биотоков, которая характеризует среднюю интенсивность сигнала.
      При постройке первого макета преследовалась цель апробировать идею биоэлектрического управления и убедиться в возможности использования биотоков мышц для управления техническими устройствами. После того как макет подтвердил правильность исходных предпосылок, было создано устройство, получившее название «биоточный манипулятор», который свыше года демонстрировался на Выставке достижений народного хозяйства, где каждый посетитель мог испытать его в действии. Таким образом был накоплен большой опыт в отношении тренируемости операторов и оценки уровня надежности и долговечности отдельных узлов системы.
      Этот манипулятор действовал как «мышечный усилитель» и мог многократно увеличивать силу схвата по сравнению с развиваемой человеком (очевидно, именно впечатляющее пожатие искусственной кисти привело к тому, что в некоторых зарубежных публикациях ее окрестили «рукой Москвы»),
      Опыт, накопленный в процессе разработки и исследования первых систем биоуправления, позволил перейти к решению важнейшей практической задачи — созданию манипулятора особого типа, предназначенного для непосредственного обслуживания человека, к разработке протеза предплечья с биоэлектрическим управлением. При этом ставилась обычная для протезирования задача частичного восстановления двигательных функций, утраченных в результате ампутации. Однако в отличие от существующих протезов предплечья теперь появилась возможность использовать для привода искусственной кисти не мускульную силу плеч или туловища инвалида, а внешние источники мощности. И, что не менее важно, управление протезом осуществлять биоэлектрическими сигналами, возникающими в усеченных мышцах предплечья, другими словами, использовать для управления те группы мышц, которые осуществляют сгибание и разгибание пальцев здоровой конечности.
      Исполнительный «орган» протеза выполнен в виде кисти, пальцы которой замыкаются в положение щепоти. Механизм привода предусматривает использование миниатюрного электродвигателя и спроектирован так, что при схватывании и раскрытии одновременно движутся большой палец и блок остальных четырех пальцев. Для управления такой кистью необходимы два независимых источника биоэлектрических сигналов — - один для управления схватыванием, другой для управления раскрытием. На конгрессе демонстрировался именно такой протез. Юноша выполнял движения, которые казались присутствующим простыми и естественными, хотя вместо живых предплечья и кисти в рукаве пиджака и перчатке скрывались их технические подобия. Когда инвалид хотел сжать мел, искусственная кисть сжимала его, когда он хотел положить мел и взять сигарету или карандаш, он мог это сделать. Техническое устройство подчинялось уже не движениям человека, а его желаниям. Именно этот факт вызвал такую горячую реакцию ученого собрания.
      Со дня этой демонстрации прошло свыше 10 лет. Протез предплечья сейчас — обычная продукция ряда советских протезных предприятий, несколько тысяч людей пользуются им в быту, многие благодаря этому вернулись к трудовой деятельности, к тем профессиям и специальностям, которыми они владели до несчастного случая, до ампутации.
      Лицензии на изготовление протезов с биоэлектрическим управлением были приобретены у Советского Союза Англией и Канадой. Ряду социалистических стран образцы протезов были переданы безвозмездно, идеи биоэлектрического управления стали материализоваться в разных странах во все новых и новых «руках».
     
      Искусственная рука осязает
      «... В наше время мы остро нуждаемся в объективном изучении систем, включающих и биологические гимеханические элементы. К оценке возможностей этих систем нельзя подходить предвзято, то есть с позиции механистического или антимеханистического толка. Я думаю, что такие исследования уже начались и что они позволят лучше понять проблемы автоматизации.
      Одна из областей, в которой мы можем использовать и используем такие смешанные системы — это создание протезов, устройств, которые заменяют конечности или поврежденные органы чувств...
      ... Немалая работа над созданием искусственных конечностей ведется в России, США и других странах группой ученых, к которой принадлежу и я. Эта работа по своим принципам... использует кибернетические идеи.
      Представим себе, что человек лишился кисти руки. Он лишился некоторых мышц, которые позволяли ему в основном сжимать и разжимать пальцы, однако большая часть мышц, обычно двигающих рукой и пальцами, сохранилась в культе локтевой части руки. При соответствующем воздействии эти мышцы, хотя и не могут привести в движение кисть или пальцы, которых нет, вызывают определенные электрические эффекты, называемые потенциалами действия. Эти потенциалы могут восприниматься соответствующими электродами, а затем усиливаться и комбинироваться транзисторными схемами. Такие потенциалы можно использовать для управления движениями искусственной руки при помощи миниатюрных электромоторов, которые питаются от батарей или аккумуляторов, а сигналы управления получают от транзисторных усилителей. Источником управляющих сигналов служит обычно центральная часть неповрежденной нервной сети, которая и должна быть использована в таких случаях.
      Подобные искусственные руки уже были изготовлены в России, и они даже позволили некоторым инвалидам вернуться к продуктивному труду...
      ... Однако искусственная рука в подобном виде не может осязать предметы, тогда как естественная рука служит в такой же мере органом осязания, как и движения. Но, позвольте, почему же искусственная рука не может осязать? Не представляет труда вмонтировать датчик давления в пальцы искусственной руки так, чтобы электрические импульсы передавались от них в соответствующую цепь. Последняя в свою очередь заставляет работать устройство, воздействующее на живую ткань, например на кожу культи. Такими устройствами могут быть, например, вибраторы. Этим методом мы можем вызвать искусственное осязательное ощущение и научиться заменять им аналогичные естественные восприятия...»
      Здесь приведен отрывок из книги Н. Винера*, в котором он излагает уже известную читателю идею биоэлектрического управления, обсуждая одну из великих, по его выражению, проблем, с которой, как он считает, мы неизбежно столкнемся в будущем — с проблемой взаимоотношений человека и машины, проблемой правильного
      * Норберт Випер. Творец и робот. «Прогресс», 1966, стр. 83.
      распределения функции между ними. Для нас главный интерес заключен в последнем абзаце приведенного отрывка, где говорится об очувствлении искусственной руки.
      Серийный образец протеза предплечья с биоэлектрическим управлением, так же как и его прототип, с которым Н. Винер познакомился в 1960 г. в Москве на Международном конгрессе по автоматическому управлению, предусматривает лишь визуальную обратную связь и никаких специальных устройств очувствления по усилию схвата не содержит.
      Первые опыты показали, что протез, не оснащенный специальными устройствами, оказался в известной мере «очувствленным». Источником сигналов обратной связи служат небольшие шумы и вибрации, сопутствующие работе микроэлектродвигателя и всей системы привода. Уровень и состав этих сигналов в значительной мере определяются режимом ее движения. Инвалид воспринимает их непосредственно на слух, а также в форме ощущений вибрации, передающихся через гильзу протеза на кожу культи. Известное значение в очувствлении протеза имеют также проприорецептивные ощущения инвалидом тех напряжений мышц культи, которые сопутствуют процессу управления.
      Инвалид сравнительно быстро научается дифференцировать усилия, пользуясь своими ощущениями. Но, конечно, степень точности ощущений, воспринимаемых из такой естественной цепи обратной связи, не очень велика, а главное, свойства этой цепи в условиях реальной эксплуатации подвержены существенным изменениям.
      Эти обстоятельства стали очевидными, как только были проведены первые опыты с макетами систем биоэлектрического управления. И сразу же появились предложения и изобретения, связанные с очувствлением протезов и манипуляторов по усилию схвата и среди них изобретение «Устройство обратной связи в биоэлектрических системах управления» *. Предмет изобретения там сформулирован так: «Устройство обратной связи в биоэлектрических системах управления, содержащее электромагнитные преобразователи (вибраторы), отличающиеся
      * Авторское свидетельство № 166099, выданное А. Ю. Шнейдеру, Е. А. Широковой и А. Е. Кобринскому.
      тем, что с целью получения оператором ощущения величины давления с различных участков поверхности рабочего органа, например манипулятора, в нем установлены датчики давления, помещенные в зоне непосредственного контакта с захватываемым предметом, генератор синусоидальных колебаний, преобразующий давление в электрические сигналы, блок формирования импульсов, преобразующий непрерывные сигналы в частотно-импульсный код, а также закрепляемые на теле оператора вибраторы механических колебаний».
      Если сравнить формулу изобретения с мыслью Винера, заключенной в последнем абзаце процитированного отрывка из его книги, можно убедиться, что они полностью совпадают, хотя сделаны независимо одно от другого. «Творец и робот» — последняя книга Н. Винера впервые увидела свет в 1964 г., авторское свидетельство, о котором сейчас шла речь, выдано с приоритетом от 4 октября 1963 г.
      Это на первый взгляд удивительное совпадение становится понятным, если попытаться оценить возможности использования различных органов чувств для очувствления протеза или манипулятора по силе схвата. Усилие схвата можно было бы преобразовать в зрительные или слуховые стимулы. При этом устройство обратной связи надо было бы снабдить световой шкалой, проградуированной в соответствующих значениях силы схвата, или звуковым генератором, те или иные параметры выходного сигнала которого зависели бы от этой силы. Но зрение и слух инвалида или оператора лучше всего применять по прямому назначению, не перегружая их необходимостью воспринимать и перерабатывать дополнительную информацию. Вряд ли возможно использовать для очувствления протеза обоняние или вкус.
      Так становится ясным, что при попытке создать систему очувствления целесообразно обратиться к кожной чувствительности. Кожа чувствительна к давлению, изменению температуры, к местной вибрации, к болевому и электрическому раздражениям. Казалось бы, выбор очень широк. Но изменения в давлении оператор может различать только очень грубо и очень быстро перестает их замечать, как говорят, быстро адаптируется к давлению. Температурная чувствительность для регистрации динамического процесса, каким является процесс изменения силы схвата, вообще не подходит вследствие большой инертности любых преобразователей силового сигнала в тепловой. Болевой чувствительности присущи так называемые оборонительные рефлексы, и она также не подходит для целей очувствления.
      Таким образом, остаются чувствительность к местной вибрации и к электрическому раздражению; последнее при достаточно низкой интенсивности, не достигающей болевого порога, тоже ощущается как вибрационное раздражение.
      Уже довольно давно известны разнообразные устройства протезирования зрения и слуха, основанные на перекодировании световых и звуковых сигналов в вибрационные воздействия на кожу протезируемого. В связи с этим очень подробно изучались вопросы чувствительности к вибрационному воздействию, ее разрешающей способности при использовании в каналах обратной связи. Изучены те параметры вибрационной чувствительности, которые хорошо различаются человеком: амплитуда вибрации, ее частота, длительность, местоположение вибратора при применении нескольких вибраторов и т. д.
      Винер много занимался вопросами протезирования, считая, что именно они являются одной из важных областей практического применения идей и методов кибернетики. Естественно, что он, как и авторы изобретения, пошел по пути, уже знакомому науке и технике протезирования.
      Очувствленные по силе схвата протезы еще не выпускаются промышленностью. Системы очувствления пока еще дороги, и их применение значительно повысило бы стоимость протеза. А кроме того они пока еще не очень нужны протезируемым, поскольку возможности «обычных» протезов с биоэлектрическим управлением далеко не исчерпаны. Но то, что сейчас кажется не очень нужным и слишком дорогим, если оно действительно прогрессивно и жизнеспособно, с течением времени становится остро необходимым и вполне приемлемым и по техническим и по экономическим соображениям.
      Во всех отраслях науки и техники непрерывно создается «задел» на будущее. Подчас бывает не просто указать, что из этого задела понадобится завтра, что — послезавтра. Но без него немыслим сколько-нибудь приемлемый темп научно-технического прогресса, потому что задел — это результаты творческого поиска, уже воплощенные в макеты, отчеты, исследования, это резерв, уже готовый к тому, чтобы выйти на передний край. Манипуляторы, роботы, о которых идет речь в этой книге, переживают «детский» период развития. Многие из них составляют задел, не получивший (пока еще!) широкого применения. Им предстоит еще пройти проверку; не пассивную проверку временем, а активную, использующую резерв времени, предоставленный ходом технического прогресса, для дальнейшего усовершенствования, расширения сферы и возможностей применения.
     
      Еще несколько рук
      Норберт Винер не случайно в качестве одного из практических примеров в своей книге привел биоэлектрическое протезирование. Годы, предшествовавшие выходу его книги в свет, были годами становления кибернетики, периодом, когда самые различные отрасли науки и техники «примеряли к себе» ее новые идеи и понятия. Эффективность кибернетики проявлялась и проявляется только через практические приложения, и, конечно, каждое успешное приложение укрепляет позиции тех идей и методов, на которых она базируется.
      В этой книге имеет смысл коротко остановиться на основных направлениях в области биоэлектрического управления, получивших в те годы свое начало, ставших активным источником задела на ближайшее будущее. Сейчас можно уверенно говорить, что по меньшей мере три таких направления уже оказались плодотворными и перспективными.
      Одно из направлений связано с дальнейшим усовершенствованием и выяснением новых возможностей обычных систем биоэлектрического управления, использующих для целей управления сигналы, отведенные с одной или двух мышц. В течение многих лет эффективные исследования в области биокибернетики ведутся в Югославии в Институте автоматики и телемеханики. Еще в 1960 г. под руководством Р. Томовича была разработана автоматическая кисть, ладонная часть которой была очувствлена специальными датчиками, реагирующими на соприкосновение. Как только кисть — ее ладонь или пальцы — чувствовали какой-либо предмет, кисть автоматически его схватывала, причем ее конструкция обеспечивала хорошую приспосабливаемость схвата к форме предмета.
      Идея, на базе которой разрабатывалась эта рука, состояла в том, чтобы автоматизировав процесс взятия предмета, тем самым разгрузить инвалида (если использовать кисть в протезе) или оператора (если речь идет о манипуляторе) от необходимости сосредоточиваться на выполнении этого процесса вручную. Очевидны также возможности использования подобных разработок для автоматических манипуляторов.
      В дальнейшем в «югославской руке» была применена биоэлектрическая система для целей управления открытием кисти и для (параллельного с автоматическим каналом) управления ее закрытием — кисть закрывалась автоматически, либо подчинялась произвольному управлению. «Югославская рука» была, вероятно, первой, в которой нашло место сочетание автоматического управления с биоэлектрическим.
      В работе английских ученых (А. Боттомли и др.) большое внимание было уделено точности и надежности схвата. В «английской руке» биотоки, отводимые, как обычно, с двух мышц, участвующих в движениях схвата (его закрытии и открытии), использовались для целей управления не порознь, а совместно. Управление шло от уровня разности биотоков этих мышц; сигнал, пропорциональный этой разности, управлял сначала скоростью закрытия кисти, а затем усилием, развиваемым закрытым схватом.
      В последние годы появились «итальянская рука», «австрийская рука» и др., представляющие те или иные варианты советского протеза предплечья с биоэлектрическим управлением.
      Другое направление связано с построением сложных биоэлектрических систем, использующих для целей управления уже не два, а несколько независимых биоточных сигналов.
      Если каждую мышцу (ее биоэлектрический сигнал) использовать для управления независимо от других мышц, тогда число управляемых движений будет равно числу мышц, используемых для управления. Но можно поступить иначе. Пусть, например, в качестве источников управляющих сигналов приняты четыре мышцы. Сокращая каждую из них отдельно, можно обычным способом управлять четырьмя движениями. Но кроме этого можно использовать для управления комбинированные сигналы, полученные одновременным сокращением двух-трех различных мышц. Таким способом с помощью четырех мышц можно управлять шестнадцатью отдельными движениями, конечно, при условии, что они выполняются не одновременно.
      Это только один из вариантов построения так называемых многофункциональных систем биоэлектрического управления. Легко представить принципиально другую систему биоэлектрического управления. До сих пор предполагалось, что управляющее воздействие пропорционально интенсивности сокращения мышцы. Но можно для целей управления использовать не переменную величину биосигнала, а только факт его наличия или отсутствия — два уровня этого сигнала; другими словами, построить систему управления по принципу «да — нет». Можно использовать систему с тремя уровнями биоэлектрического сигнала: 1) мышца расслаблена — нет сигнала, 2) мышца слегка напряжена — слабый сигнал; 3) мышца напряжена — нормальный сигнал. Так можно с помощью одной мышцы управлять двумя движениями. При слабо напряженной мышце включается одно движение; при нормальном ее напряжении — первое движение выключается, включается второе, при расслаблении мышцы — оба движения выключаются.
      Примерно по такой схеме действует «канадская рука», созданная в Биоинженерном институте (Нью-Брунсвик, Канада) под руководством Р. Скотта.
     
      Большие надежды
      Как уже говорилось, биотоки, отводимые обычными накладными электродами, представляют собой суммарный эффект активности как той мышцы, которую предполагается использовать для целей управления, так и (в меньшей мере) смежных мышц.
      Когда речь идет об управлении с помощью только двух мышц-антагонистов, например сгибающих и разгибающих пальцы руки, особой беды нет, что эти сигналы имеют шумовой характер. Но если число точек отведения биотоков должно быть увеличено, а сами точки отведения располагаются близко одна от другой (это неизбежно, когда для управления приходится использовать смежно расположенные мышцы), эффективные методы «распознавания» и обработки, таких сложных биоэлектрических сигналов становятся проблемой первостепенной важности.
      Один из перспективных путей ее решения основывается на таких примерно соображениях. Биотоки, отведенные несколькими накладными электродами с группы смежных мышц, образуют некий биоэлектрический образ напряженного состояния этой группы мышц или реализуемого ею движения. При одних и тех же движениях этот образ варьируется, поскольку одно и то же движение невозможно повторить абсолютно точно, варьируется для различных людей, на него влияет точность расположения датчиков и т. д. Следует, очевидно, отказаться от попыток анализировать его обычным путем, т. е. как бы складывая результат от отдельных сигналов, пытаясь четко их дифференцировать. Вместо этого целесообразно перейти к изучению некоторых общих характеристик биоэлектрического образа в целом, связав эти характеристики с теми движениями, которым они соответствуют. Поставив в соответствие тот или иной образ тому или иному движению и решив таким образом задачу распознавания, можно перейти к использованию результатов распознавания для целей управления.
      Так выглядит нить рассуждений...Ас практической реализацией познакомимся на примере работы, выполненной в биотехнологической лаборатории фирмы Филко (США).
      На шести мышцах плечевого пояса укрепляются поверхностные электроды, которые служат источником шести потоков биоэлектрических сигналов, поступающих для обработки в специальное устройство «Миокодер». В чем состоит обработка? Прежде всего эти сигналы усиливаются, затем преобразуются в дискретные импульсы, частота следования которых пропорциональна уровню возбуждения мышцы. В «Миокодере» имеется вычислительное устройство, определяющее число импульсов, проходящих в определенное время через каждый из каналов. В результате биоэлектрический образ преобразуется в цифровой, пригодный к распознаванию электронной цифровой вычислительной машиной (ЭЦВМ).
      Одна из первых задач распознавания состояла в следующем. Были выбраны два типа движения: тип А — движение руки вперед вверх до положения, перпендикулярного туловищу; тип Б — все другие движения руки. Около 100 раз оператор совершал движение типа А, каждый раз регистрировался биоэлектрический образ этого движения. Точно так же 100 раз совершались и регистрировались движения типа Б. А затем биоэлектрическая информация, выраженная в цифровом коде, поступала на ЭЦВМ и обрабатывалась по специальной программе. Цель обработки состояла в том, чтобы определить так называемую функцию максимального правдоподобия (широко используемую в математической статистике), позволявшую с большой вероятностью различать два типа движений. После того как был закончен такой длительный этап «обучения» ЭЦВМ, в дальнейшем процент правильности распознавания ею двух типов движений доходил практически до 100.
      Задача эта довольно проста, но она значительно усложняется, если пытаться распознавать не два, а большее число различных движений. Остается нерешенной задача использования распознавания для управления. Ведь здесь распознавание — результат анализа уже совершенного движения, а чтобы использовать биоэлектрический сигнал для управления, распознавание должно сопутствовать движению. Но ученые убеждены, что все эти трудности преодолимы и что «игра стоит свеч». Начаты исследования, связывающие статистические характеристики элек-тромиограмм со скоростью движения рук, с усталостью оператора и величиной кровяного давления. Подобные исследования стали возможными в результате преобразования биоэлектрического образа в цифровой.
      Еще одно направление в развитии сложных биоэлектрических систем связано с созданием непосредственно протезов и аппаратов, для управления которыми используются биотоки. И это направление проиллюстрируем лишь двумя примерами, хотя сейчас подобных примеров можно было бы привести намного больше. Искусственная рука, созданная в Северной электротехнической лаборатории Канады, предусматривает возможность независимого управления четырьмя парами движений. Она оснащена гидроприводом, давление жидкости создается насосом, получающим вращение от электродвигателя, питающегося от 12-вольтовой батареи. Централизованный насосный блок позволяет построить систему исполнительных механизмов для всех движений, отвечающую тем жестким требованиям в отношении габаритов и весов, которые предъявляются к протезным изделиям.
      И, наконец, еще одна разработка, выполненная в Технологическом институте им. Кейса (США) под руководством Д. Ресвика. Она представляет собой ортопедический аппарат, предназначенный для восстановления двигательных функций парализованной верхней конечности. Аппарат включает два механизма. С помощью механизма специальной шины приводится в движение связанная с нею вся рука. Другой механизм, соединенный с пальцами больного, дает ему возможность по желанию сжимать и разжимать пальцы и брать предметы. Пользуясь этими устройствами, парализованный может самостоятельно есть, бриться, выполнять другие несложные действия.
      Система управления этим аппаратом включает несколько подсистем. Одна из них обеспечивает привод механизма шины и, значит, руки больного. Управление этим приводом производится от программы, заранее рассчитанной на ЭЦВМ. Включением и выключением программы управляют миниатюрные устройства, вмонтированные в специальные очки больного. Система включается, когда больной направляет луч света вмонтированной в очки лампочки на специальный светочувствительный индикатор. Механизмом, закрывающим и открывающим пальцы больного, управляет биоэлектрическая система: источником управляющих сигналов могут служить любые здоровые мышцы на теле больного.
      Ортопедический аппарат с биоэлектрическим управлением.
      Зафиксированы два положения парализованной конечности: одно — в процессе взятия электробритвы, второе — в процессе бритья
      Несколько приведенных здесь примеров далеко не исчерпывают того, что сделано в области биоэлектрического управления. В последние годы быстро развиваются методы и средства так называемого биоэлектрического стимулирования, идея которого сводится к использованию биоэлектрических сигналов, заимствованных у здорового человека (донора) или отведенных от здоровых мышц, для восстановления двигательной активности парализованных мышц. Важные и интересные результаты в этой области получены в Институте кибернетики АН УССР (Л. С. Алеев, С. Г. Бунимович и др.), в Варшавском политехническом институте (А. Морецкий), в Югославии, ФРГ и других странах.
      Разрабатываются и уже применяются новые методы отведения биотоков, использующие так называемые вкалывающиеся электроды и позволяющие отводить сигнал с отдельных моторных единиц, системы отведения биотоков с помощью вживляемых в мышцу устройств. Над
      развитием различных аспектов биоэлектрического управления в мире сейчас работают несколько десятков научно-исследовательских организаций. Большие надежды, возлагаемые на эти системы в различных отраслях медицины и техники, уже оправдываются, а кроме того в резерве большой задел. И непрерывно возникают новые все более интересные проблемы.
      Можно ли, например, еще больше сократить цепь передачи информации от живого организма к внешнему техническому устройству? Можно ли сделать так, чтобы оператор использовал для управления уже не биотоки мышц, а непосредственно биотоки центральной нервной системы, биотоки мозга? Уже говорилось, что большой отряд биофизиков занимается электроэнцефалографией — изучением биоэлектрической активности центральной нервной системы. Непрерывно совершенствуются технические средства. Не будет удивительным, если в не столь отдаленном будущем появятся возможности решить и эту проблему.
      Так биоэлектрический код, естественный код, в котором «общаются» между собой отдельные «подсистемы» живого организма, получил технические приложения, стал основой новых систем управления.
      Конечно, никак нельзя считать, что биоэлектрический код стал в один ряд с «кодом движений», поскольку совершенно несоизмеримы объемы их практического применения, но что он становится основой еще одного привычного способа взаимодействия человека с техническим устройством, это несомненно.
     
      Глава пятая
      ПОЛУРОБОТЫ
     
      От Чапека до кибернетики
      Позади уже почти половина книги, а слово «робот», фигурирующее в ее названии, только мелькнуло на первых страницах, а затем надолго исчезло. Сейчас ему пора появиться вновь, но прежде всего нужно договориться, что все-таки следует понимать под этим словом? Необходимо это потому, что в современной научно-фантастической, научно-популярной, научно-технической литературе нет, пожалуй, другого такого слова, другого термина, понятия, которое бы включало в себя так много и вместе с тем было таким смутным и не ясно определенным.
      Справедливость требует заметить, что может быть именно из-за такой смутности и неопределенности слово робот оказалось необычайно живучим. Около 50 лет назад оно появилось в произведении чешского писателя Карела Чапека «RUR», названном им «коллективной драмой». Там под роботами понимались механические люди, которых изготавливали в большом количестве для замены ими на заводах и фабриках живых людей. Драма началась тогда, когда роботы вышли из-под контроля людей и, обладая более высокими интеллектом и физическими возможностями, принялись уничтожать своих создателей.
      В конце XIX в. француз Жаккар, сын лионского ткача, изобрел устройство, позволяющее автоматизировать процесс выработки на ткацких станках ткани, обладающей каким угодно сложным узором, процесс, ранее требовавший от ткача большого искусства и очень большого труда. Один из первых образцов созданного им станка был уничтожен его земляками — лионскими ткачами, боявшимися, что это изобретение лишит их куска хлеба.
      Соотечественник Жаккара, бедный портной Б. Тимонье, в 1830 г. изобрел первую в мире действующую швейную машину. Она была изготовлена почти целиком из дерева, и, конечно, нисколько не напоминала ту, которой теперь пользуются. Но она шила! И с ее помощью малоопытная швея обгоняла нескольких опытных мастериц. Спустя десять лет около 80 таких машин шили форму для французских солдат. А спустя еще год парижские швеи, подобно лионским ткачам боявшиеся, что машина отнимет у них средства к существованию, разгромили мастерскую, сожгли машины и чуть не убили изобретателя.
      Таких примеров проявления инстинктивного страха человека перед машиной, которая в силу социального неблагополучия капиталистического строя становится для него злом вместо блага, сколько угодно. Драма Чапека выпукло и остро отражает тот же социальный конфликт между человеком и машиной. Так слово робот стало выражать некое противостоящее человеку искусственное существо, способное вытеснить его из любой сферы деятельности, отнимающее у него «универсальность», которой он так гордится, и, что особенно ужасно, действующее и движущееся примерно так же, как действует и движется он сам.
      В таком обличье робот начал свое шествие по многочисленным фантастическим и научно-фантастическим романам, повестям, рассказам, иногда, правда, становясь вместо злого добрым гением человека.
      Одновременно робот перекочевал и в научно-популярную литературу. Там под роботом понималось самое разное. В 30-е годы — это металлические создания, отличающиеся от человекоподобных и звероподобных игрушек XIX в. главным образом тем, что наряду с механическими устройствами в них уже нашли применение электрические, фотоэлектрические и радиотехнические системы. В послевоенные годы, знаменующие период широкого внедрения в разные отрасли производства систем автоматизации, в популярной литературе словом роботы обозначались многочисленные и разнообразные производственные автоматы и автоматические линии. Под роботом тогда понимали техническое устройство, способное выполнять работу, которую выполнял раньше человек; характер и содержание этой работы не требовали прямого повторения или копирования действий и движений человека, т. е. никакого «человекоподобия» от робота не требовалось.
      Как видим, на этом этапе понятие робот определяло нечто совершенно противоположное тому, что вкладывалось в него на первом этапе. Там подчеркивалось исключительно его внешнее сходство с человеком, внешнее человекоподобие его действий и движений, производственное же значение этих действий и движений не рассматривалось, поскольку еще не наступило время роботу идти на производство. Позже эта пора наступила. Сначала особенно широкое применение системы автоматизации получили в области сравнительно простых технологических процессов, не требующих от автомата квалификационных «навыков», сложных движений, широкой универсальности — ничего специфически человеческого. Соответственно робот стал просто производственным автоматом без всякого человекоподобия в действиях и движениях.
      В третьем обличье робот выступил в конце 50-х годов, в период, когда уже начала «плодоносить» кибернетика, когда на производстве появились автоматы и автоматические системы с цифровым управлением, работу которых организуют и направляют ЭЦВМ. Обладая сравнительно высокой универсальностью, подобные автоматы оказались способными справиться с такой сложной производственной работой, какая раньше казалась уделом исключительно человека. Именно их стали называть роботами и термин этот уже никак не подходил к «обычным» автоматам, 10 — 15 лет до этого казавшимися чудом техники. Роботом стала сама электронно-цифровая вычислительная машина либо, в крайнем случае, автоматы или устройства из ее ближайшего окружения. Усиленно подчеркивалось и при этом непроизвольно преувеличивалось интеллектуальное человекоподобие, вопросы человекоподобия в движениях по-прежнему оставались в стороне.
      А сейчас наступает этап, когда становится остро необходимым воспроизвести и автоматизировать не конкретные отдельные процессы и операции, свойственные человеку, а целые группы и классы его действий и движений, наборы которых заранее даже не определены. Желательно лишь, чтобы по богатству, объему и универсальности движений техническое устройство, предназначенное для их выполнения, было в каком-то смысле и какой-то мере человекоподобным.
      Сейчас в самом разгаре процесс создания таких, устройств, и слово робот уже перекочевало в научно-техническую литературу на правах (правда еще официально не признанных) технического термина.
     
      Что такое робот?
      Часто новое слово, выражающее какое-либо научное или техническое понятие, совершает путь из научной и технической литературы в популярную, а затем в художественную. Слово робот совершило тот же путь в обратном направлении, не получив на всем этом пути сколько-нибудь точного определения и не попав (что уже совершенно удивительно) во многие современные энциклопедии.
      Эти обстоятельства вынуждают нас, отвечая на вопрос, «что такое робот?» еще раз обратиться к произведению Карела Чапека. Чтобы добиться человекоподобия * в действиях и движениях технического устройства, нужно по меньшей мере знать, как действует человек, как он строит свои движения. Наука пока еще далека от сколько-нибудь точного знания этих процессов, и в действительности вместо человекоподобия следует говорить о чем-то вроде «человекопохожести».
      Итак, что же говорится о роботах в произведении Чапека? Один из героев «RUR», Гарри Домин, главный директор компании «Россумские универсальные роботы», обращаясь к мисс Глори, дочери президента компании, так отвечает на этот вопрос: «... Молодой Россум... выкинул человека и создал робота. Роботы — не люди, дорогая мисс Глори. Механически они совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет души. О, мисс Глори, продукт инженерной мысли технически гораздо совершеннее продуктов природы!...»
      * Слово человекоподобие (или антропоморфизм) следует «брать в кавычки» всякий раз, когда оно встречается применительно к машинам, автоматам и роботам.
      Этот абзац, конечно, не может служить техническим описанием робота, но содержит сведения, помогающие определить это понятие.
      Робот предназначен для физической работы, для выполнения рабочих движений — только для этих целей. Все, что непосредственно не служит этому, из его конструкции исключено. И его «механические совершенства» и его «невероятно сильный интеллект» направлены на то, чтобы он двигался и работал быстрее, точнее и экономичнее (с минимальными потребностями!) человека, чтобы был в этом отношении совершеннее человека.
      На одну ступень по степени важности поставлены два основных качества робота: его «механические совершенства» и его «невероятно сильный интеллект». Значит, его механизмы, их двигательные возможности и способности использовать внешнюю энергию для выполнения работы — уровень его «механического совершенства» и уровень его «интеллектуального совершенства», характеризующийся свойствам-и и возможностями информационных систем, которыми он оснащен, должны соответствовать один другому.
      Так, используя слова Гарри Домина по существу и оставляя в стороне эмоциональную окраску, можно сформулировать определение понятия робот: «Под роботом следует понимать техническое устройство, предназначенное для воспроизведения некоторых (рабочих) двигательных функций человека и обладающее необходимыми для этого механизмами и системами получения, преобразования и использования энергии и информации». Единственно, чего не хватает в этом определении, это четкого представления об уровне «самостоятельности», автономности робота, а также об условиях, которые ему необходимо создать, чтобы он мог проявить и полезно использовать эту самостоятельность.
      Вспомним пример с торговым автоматом. Как много надо сделать вручную, чтобы с его помощью напиться воды и, если вдуматься, то как сложны те условия, при которых он может проявить свою «самостоятельность» — и монета не должна быть погнута, и запасы воды и сока должны быть достаточными, и техобслуживание должно быть «на уровне». Только в этом случае он будет автоматом!
      Уровень автономности любого технического устройства всегда ограничен независимо от того, будем мы его называть автоматом, роботом или придумаем новый, более впечатляющий термин. Представление о границах автономности по мере того, как наука и техника движутся вперед, все время меняется. То, что казалось роботом вчера, сегодня может рассматриваться лишь как «полу-робот». То, что кажется роботом сегодня, станет «полуро-ботом» завтра. Поэтому в нашем определении понятия робот не фигурируют оценки его самостоятельности. Эти оценки не имеет смысла выносить заранее и огульно.
      Полуробот
      Представим себе процесс разборки реактора с помощью манипуляторов. Узел за узлом, деталь за деталью отделяют они от реактора и осторожно укладывают их на специальные стеллажи. Некоторые узлы и детали передают для дальнейшей разборки и контроля в зоны действия копирующих манипуляторов, значительно меньших по размерам, но очувствленных по силе схвата (см. рисунок на стр. 36).
      Но вот одно неосторожное движение, неудачный прием и деталь выскользнула из механической руки, упала на пол. Конечно, когда реактор будут собирать, эту деталь можно будет заменить — комплекты запасных частей хранятся в пределах досягаемости механических рук. Но сейчас, для целей контроля, выяснения того, как работала в процессе испытаний вся система, необходима именно эта деталь, ее необходимо поднять и доставить по назначению. Кто это сделает? Копирующие манипуляторы для этого использовать нельзя, деталь находится вне их рабочей зоны и для них недосягаема. Большие манипуляторы тоже непригодны: деталь могла откатиться туда, куда «большая рука» именно вследствие своих размеров вообще не может добраться, или, добравшись, не может ее схватить, либо вообще эту деталь нужно сначала найти, поскольку операторы ее не видят.
      В таких случаях «выходит на сцену» специальное устройство: тележка, длиной около метра, на легком гусеничном ходу, в центре которой вертикально установлена колонна высотой 170 см (средний рост человека).
      «Маленький бродяга».
      Механическая рука на гусеничном шасси — высокоманевренная машина, приспособленная для работы в «неудобных» условиях. Маневренность машины повышается не только за счет движения тележки: плечо руки может двигаться вверх и вниз по колонне и поворачиваться относительно нее. Два глаза — телекамеры — обеспечивают оператору обзор рабочей зоны
      Вверх и вниз по ней движется и поворачивается относительно нее крестовина, несущая впереди «руку», а по бокам «органы зрения» — осветительные приборы и телекамеры. Сзади тянется кабель, по которому этот «маленький бродяга», как назвали агрегат его конструкторы, получает мощность и управляющие сигналы с пульта управления. В обратном направлении, к пульту управления, на имеющийся там телевизрюнный приемник агрегат посылает зрительную информацию для оператора.
      «Рука» агрегата оснащена кнопочным управлением, ее длина примерно равна длине человеческой руки. «Маленький бродяга» может вдоль и поперек обойти все помещение, поднять руку, а вместе с ней и глаза, высоко вверх или опустить вниз и осмотреть пол, может «увидеть» деталь, взять ее рукой и отнести на место. Ему еще не достает «интеллектуальных совершенств», о которых говорил Чапек, и пока недостаток интеллекта компенсируется работой оператора, но что касается двигательных возможностей — «механического совершенства», то в пределах помещения, где этот агрегат должен двигаться, и в пределах тех действий, которые должен совершать, он уже многого достиг. И если мы его назовем полуроботом, это не будет противоречить нашему понятию «робот».
      Такие полуроботы, подвижные манипуляторы, оказались чрезвычайно полезными для обслуживания больших установок. Но знакомство с ними важно нам не только потому, что дает представление о современных технике и технологии отрасли производства, связанной с созданием атомных установок, оно позволяет также сформулировать основные группы признаков, характеризующие тс машины и автоматы, которые мы условились называть роботами.
      Движения человека
      «... Все бесконечное разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности сводится окончательно к одному лишь явлению — мышечному движению» *, — так считал великий русский физиолог И. М. Сеченов. Другими словами, человек взаимодействует с внешним миром только через движения. Если пытаться определить важнейшие черты робота как системы, предназначенной для воспроизведения двигательных функций человека, полезно сначала классифицировать движения, которые может совершать человек.
      Кажется естественным наметить три группы таких движений. Первая группа — будем называть эти движения глобальными — это движения, объем которых велик по сравнению с собственными размерами человека. Реализуют их нижние конечности. Вторая группа — региональные движения — это движения, объем которых соизмерим с собственными размерами человека. Выполняются
      * И. М. Сеченов. Рефлексы головного мозга. Изд-во АМН СССР, 1952, стр. 41.
      они в основном крупными суставами верхних конечностей. И третья группа — локальные движения, они включают в орбиту действия кисть с пальцами, выполняющими мелкие движения непосредственно в рабочей зоне. Объем их мал по сравнению с собственными размерами человека, но без них портной не мог бы шить, слесарь — работать, пианист — играть, человек — стать тем, кто он есть.
      Такая классификация, делящая все движения человека на глобальные, региональные и локальные, конечно, весьма приблизительна и лишь грубо отражает фактическую картину движений человека. В действительности его естественные движения представляют собой сложнейшие сочетания процессов сокращения и расслабления десятков и сотен мышц, скупых и размашистых движений не только конечностей, но и головы и всего тела и их вряд ли можно сколько-нибудь точно уложить в любую классификацию.
      Но гибкость и подвижность робота, вероятно, всегда будут оставаться малыми по сравнению с гибкостью и подвижностью человека, а функции выполнения глобальных, региональных и локальных движений будут более четко разделяться между искусственными ногами, руками и кистями. При такой классификации становится очевидным, что под понятие робот больше всего подходит устройство, сочетающее в едином комплексе манипуляторы, воспроизводящие движения типа региональных и локальных, и опорно-двигательный аппарат, обеспечивающий глобальные движения этого устройства.
      Группа признаков, связанных с двигательными возможностями, не единственная из числа определяющих понятие робот, но одна из важнейших, поскольку характеризует его «механические совершенства». «Маленький бродяга» имеет опорно-двигательный аппарат, у него есть рука, кисть и схват. Он способен выполнять глобальные, региональные и локальные движения и с этой точки зрения имеет право называться роботом. Но его «интеллектуальные совершенства» и автономность остаются на низком уровне, что и сделало его полуроботом. Полуро-боты — очень нужные «создания» технической мысли человека, и их семейство быстро растет и совершенствуется.
      Например, в рамках итальянской программы ядерных исследований лабораторией сервомеханизмов CNEL создан мобильный манипулятор «Маскот», включающий две станции: управления и исполнительную.
      Исполнительная станция представляет собой движущуюся телеуправляемую тележку, которая может перемещаться вперед — назад и поворачиваться вправо — влево. В центре тележки — вертикальная стойка, несущая корпус, к которому присоединены две руки; корпус вместе с руками может двигаться вверх — вниз по стойке. Между механическими руками, чуть выше плеч, расположена консоль, несущая ориентируемую турель, на которой укреплена телекамера, позволяющая вести наблюдение за работой. Высота центральной стойки равна среднему росту человека. Рабочий объем рук охватывает пространство от уровня пола до четырехметровой высоты. Сопоставляя конструкции двух полуроботов, видим, что они отличаются в важных подробностях: «Маленький бродяга» однорук, но имеет два глаза, «Маскот» двурук и одноглаз. Но и тот и другой способны выполнять большой объем движений. Их руки при необходимости оказываются в любом месте большого помещения, на таком уровне и в таком положении, которые наиболее удобны, чтобы видеть рабочую зону и действовать в ней. Возможность совершать глобальные движения необыкновенно увеличивает универсальность и приспособляемость полу-роботов. Руки «Маскота» устроены примерно так же, как у известных нам копирующих манипуляторов — они очув-ствлены по усилию схвата и обладают серводействием.
      Управление всеми движениями и действиями осуществляет оператор. Станция управления включает две задающие руки, педальное устройство под ногами оператора, телевизионное устройство, консоль и два шкафа управления, в которых находится электронная аппаратура сервомеханизмов связи. Каждый шкаф обслуживает одну пару рук (задающую и исполнительную) и содержит семь управляющих усилителей для каждой из семи степеней свободы каждой из рук.
      Движениями тележки оператор управляет, нажимая ногами на педали. Оператор движет ногами — полуробот «ходит» по помещению, его руки копируют движения рук оператора, его «глаза» обеспечивают эффект присутствия человека в рабочей зоне. Если обе части биотехнической системы человек — подвижной манипулятор хорошо «подогнаны» одна к другой, то оператор ощущает движения и действия полуробота как свои собственные.
      В феврале 1966 г. в США такой полуробот стал «героем» сенсационного события. В Чикагском городском госпитале из контейнера случайно выпала капсула с радиоактивным кобальтом. Капсула, размером с тюбик губной помады, несла в себе смертельную опасность. Угрожающее положение было ликвидировано, когда вызванные из атомного центра полуробот и обслуживающие его операторы нашли «тюбик» и «заперли» его в контейнер.
     
      В атомной технике внедрение манипуляторов началось с того, что у человека возникла острая необходимость «потрогать руками» то, что трогать никак нельзя, что представляет опасность не только при непосредственном контакте, но и на значительном расстоянии. Тогда этот опасный объект поместили в камеру, изолировали ее стены и стали его «трогать» сначала просто длинными щипцами, проходящими сквозь стенку камеры, затем механическими манипуляторами, затем сервоманипуляторами...
      Мобильный обитаемый манипуляторный агрегат «Жук».
      Эффект присутствия человека в опасной зоне обходится очень дорого, поскольку сильно усложняются задачи жизнеобеспечения и защиты от радиоактивных излучений
      По мере того как усложнялись и делались все более разнообразными операции сначала над материалом, потом над изделиями, над деталями, узлами, целыми машинами и комплексами, на которых, как на музейных экспонатах, висят таблички «руками не трогать», по мере того как возникали новые области применения и новые отрасли атомной энергетики и технологии, появлялась необходимость во все новых типах и конструкциях манипуляторов и полуроботов.
      Выше было описано, как происходит в эллинге разборка реактора, при этом ничего не было сказано о том, как реактор попал в эллинг, как его обслуживали на испытаниях. А как быть завтра, когда на повестку дня будет поставлен вопрос о создании ядерных двигателей и их практическом использовании? Тогда они будут исчисляться сотнями или даже тысячами и волей-неволей придется (и уже приходится) действовать в точном соответствии с поговоркой «если гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе».
      При попытке упорядочить идеи и решения, на базе которых строятся мобильные манипуляторы — полуро-боты, сразу обнаруживаются два принципиально различных подхода. Один из них состоит в том, чтобы дать возможность человеку оказаться так близко к объекту, как только это возможно. При другом подходе эффект присутствия человека достигается применением телесистем. Оба подхода нашли применение не только в атомной, но, как увидим дальше, и в подводной, и в космической технике.
      В 1961 г. в связи с работами по американской программе NERVA фирма Дженерал электрик построила мобильный манипуляторный агрегат, получивший название «Жук» («Beetle»). Гигантская машина на танковом шасси несет кабину на трех человек, облицованную свинцовыми плитами толщиной 30 см. Из-за необходимости в мощном защитном бронировании ее вес достиг 85 т. В результате такой большой перегрузки машина может передвигаться лишь по гладкой, без значительных неровностей, дороге. Внутри тесной кабины, имеющей три иллюминатора, расположены перископ и три телевизионные установки, расширяющие зоны обзора операторов.
      Кабина установлена на четырех телескопических колоннах, оснащенных системой гидропривода, с помощью которой она может подниматься на высоту свыше 4 м и поворачиваться на 360°.
      Кабина «вооружена» двумя манипуляторами с «кнопочным» управлением; каждый из них имеет девять степеней свободы. Управление осуществляется по уже известной нам схеме. Каждым из независимых движений руки управляет отдельная рукоятка. При ее среднем положении движение выключается, при ее повороте в ту или иную сторону движение происходит в том или ином направлении. Чем больше отклонение рукоятки от среднего положения, тем больше скорость движения. Все рукоятки расположены на пульте управления в операторской кабине. Представление о возможностях этих манипуляторов дают следующие цифры: длина «руки» в вытянутом положении составляет около 5 м, нагрузочная способность в этом положении до 50 кг.
      «Жук» предназначен именно для тех целей, о которых было сказано выше: обслуживание атомных двигателей в полевых условиях, работа в аварийных условиях, демонтаж энергетических атомных установок и т. д. Он построен в единственном экземпляре. Его стоимость и сложность обеспечения работоспособности и безопасности команды оказались несоизмеримо большими, они не окупались ожидаемыми преимуществами, вытекающими из присутствия операторов в непосредственной близости к месту событий, тем более, что даже такая мощная защита, которая обеспечивает снижение интенсивности излучения в 10 миллионов раз (!), уже считается недостаточной при возможных или специально запланированных катастрофических происшествиях.
      Существенными преимуществами в этом отношении обладают телесистемы, с помощью которых задачи управления, остающиеся уделом человека, можно решать в условиях полной безопасности, в случае необходимости привлекая для этого самых различных специалистов. При этом в безопасной зоне может находиться много людей, помимо операторов непосредственно выполняющих функции управления. Эффект же непосредственного присутствия обходится очень дорого, причем тем дороже, чем большему числу людей понадобится им воспользоваться.
      В течение ряда лет одна из крупнейших авиационных фирм США (Hughes Aircraft) разрабатывает и строит мобильные манипуляторные системы, ряд образцов которых известен под общим названием «Мобот» (Мобильный робот). Каждое последующее поколение «Моботов» усовершенствуется и улучшается по сравнению с предыдущим, имея конечной целью создание универсальной в функциональном отношении дистанционно-управляемой системы.
      Один из представителей обширного семейства «Моботов», предназначенный для работ с атомными реакторами и двигателями летательных аппаратов, представляет собой гусеничное шасси, несущее платформу размером 1,5 X 2,5 м; в центре платформы на телескопической колонне установлены две независимо ориентируемые телевизионные камеры и две механические руки каждая грузоподъемностью 25 — 30 кг.
      Руки «Мобота» обладают чрезвычайно высокой подвижностью. Плечевой, локтевой и лучезапястный суставы представляют собой шаровые шарниры, причем каждое сочленение допускает относительное движение соответствующих звеньев в пределах полной полусферы. Кроме того, кистевой отдел руки имеет телескопическую часть, выдвигающуюся на величину до 10 см и могущую вращаться относительно оси кисти. Усилия схвата дистанционно регулируются в пределах от 8 до 80 кг.
      Телевизионные камеры также укрепляются на специальных руках. Эти руки по конструкции напоминают руки манипуляторов, однако вместо трех шарнирных сочленений они имеют всего лишь одно. При такой установке камеры легко обслуживают всю рабочую зону, не мешая работе манипуляторов. Каждая камера оснащена дистанционным управлением величиной фокусного расстояния, размером диафрагмы и т. д.
      В верхней части колонны смонтирован подъемный кран грузоподъемностью до 400 кг. В передней части шасси установлен автопогрузчик той же грузоподъемности, что и кран. Они используются для перемещения различных объектов, уборки обломков или осколков, могущих помешать выполнению необходимых маневров и манипуляций. Их также можно использовать для погрузки тех или иных объектов на специальные гусеничные грузовые машины с дистанционным управлением.
      Большое внимание уделено системам связи. Сложные сигнальные системы позволяют использовать один кабель диаметром менее 1,5 см для передачи всех управляющих сигналов и двух телевизионных изображений. Необходимая мощность для передвижения и манипулирования создается десятью 12-вольтовыми аккумуляторными батареями, емкость которых обеспечивает от 6 до 8 часов непрерывной работы агрегата в зависимости от объема выполняемых движений и их характера. По тому же кабелю непрерывно подается небольшой ток подзарядки. Этого тока достаточно, чтобы обеспечить неограниченно долгое время работы системы, если она не передвигается с места на место, т. е. не совершает глобальных движений.
      Кабельный барабан имеет привод, синхронизированный с приводом движения шасси; он сматывает и наматывает кабель в соответствии с движением шасси и укладывает его в стороне от гусениц, предупреждая возможность наезда на него. Кабель (длиной около 150 м), конечно, ограничивает радиус действия системы. В последние годы ведутся работы и уже созданы радиоуправляемые мобильные манипуляторы, также предназначенные для работы с ядерными системами, обладающие гораздо большим радиусом действия.
      Мы познакомились только с некоторыми полуробо-тами, из числа тех, что уже сейчас используются в атомной технике. Нескольких примеров достаточно, чтобы увидеть, что они составляют особый тип машин без ярко выраженной специализации, пригодных для самых различных работ, для выполнения движений, по объему, сложности и универсальности в какой-то мере приближающихся к движениям человека. И с конструктивной точки зрения, несмотря на их разнообразие, они имеют специфические черты, сближающие их между собой и отличающие от любых других машин. Механические руки, «органы зрения», механизмы передвижения — все эти элементы, неизбежно присутствующие в любой модели, придают им «фантастический» вид. А в действительности они — порождения современной техники, вызванные к жизни научно-техническим прогрессом.
     
      Глава шестая
      СТОПОХОДЯЩИЕ
     
      Исторический экскурс
      Наш далекий предок таскал грузы «на собственном горбу». Взвалив на спину тушу убитого зверя, он нес его на стоянку, обходя валуны, пробираясь между деревьями, увязая в песчаных, илистых, заболоченных почвах, взбирался на крутые откосы, горы и скалы. Грубо оценивая его возможности, считают, что за день он мог перенести груз, равный его собственному весу, на расстояние 10 — 15 км.
      Транспортные возможности значительно выросли, когда человек догадался использовать для этой цели животных. Грузоподъемность вьючного животного примерно втрое превышает возможности человека при не слишком большом увеличении дальности перевозок, но вьючное животное не умеет так ловко, как человек, карабкаться по крутым склонам, продираться сквозь лесную чащу, оно вязнет в мягкой почве.
      Около 6 тыс. лет назад человек изобрел колесо. Колесная повозка по сравнению с вьючным животным чуть не в десять раз увеличила возможность перемещать грузы, однако при этом приходилось тщательно выбирать путь движения: даже небольшие и совсем несложные для человека препятствия для повозки оказывались непреодолимыми; понадобилась искусственная дорога. Усовершенствование экипажей, повышение их скоростей, требовали улучшенных дорог, улучшенные дороги открывали путь к усовершенствованию экипажей. Такая взаимозависимость привела к изобретению железной дороги, тысячекратно увеличившей объемы перевозимых грузов и дальность их перевозки.
      Сегодня автомобили и поезда пересекают сушу во всех направлениях и складывается впечатление, что «на колесе» можно проехать куда угодно. Однако наивность такого взгляда становится очевидной, если вспомнить, какие гигантские пространства до сих пор непроходимы для обычных транспортных средств, ознакомиться с тем, какие требования в отношении маневренности и мобильности армейских подразделений ставятся в связи с задачами повышения обороноспособности. А в последние годы не просто обсуждаются, но уже ведутся исследовательские и конструкторские работы, имеющие целью создать экипажи, которым предстоит двигаться по поверхности других планет.
      В первую мировую войну, в связи с военной необходимостью, появился гусеничный ход. Гусеничные машины, наряду с колесными, вошли в строй и широко используются в мирное время в условиях бездорожья. Представление о том, насколько гусеничный ход эффективнее колесного, дают следующие цифры: при движении по мягкой почве удельное давление на почву у гусеничной машины в 7 — 8 раз меньше, чем у колесной, а мощность, необходимая дйя передвижения, в пересчете на единицу веса в четыре раза меньше. Казалось, оптимальное решение найдено, ничего лучше гусеничного хода для бездорожья не придумаешь!
      А между тем поиски продолжаются. Одно из направлений этих поисков привело к шагающим машинам, педи-пуляторам, воспроизводящим двигательные функции нижних конечностей человека, стопоходящего животного. Число макетов, моделей, конструкций, имеющих целью использовать для передвижения принцип шагания вместо обычного перекатывания, чрезвычайно велико (в частности, теорией стопоходящей машины занимался выдающийся русский математик П. Л. Чебышев). Некоторые из них имели и до сих пор имеют теоретический интерес, другие получили важное практическое применение; принцип переступания успешно использован, например, в шагающих экскаваторах отечественной конструкции.
      Какими соображениями руководствуются ученые и инженеры, обращаясь к шагающим машинам, в чем преимущества машин этого типа перед колесными и гусеничными?
      При передвижении по неприспособленной поверхности принцип шагания позволяет выбирать при каждом шаге место, наиболее удобное, чтобы ступить ногой. Колесная и гусеничная машины оставляют за собой не пунктирный след стопы, а непрерывную колею, они не умеют переступать, перешагивать и их нельзя этому научить. И еще одно соображение в пользу шагающих машин, связанное со снижением затрат энергии при передвижении по мягкой почве. Колесная и гусеничная машины при передвижении заняты неблагодарной работой: можно сказать, они роют себе яму, стараясь из нее выбраться. Другими словами, глубокий след, остающийся за колесом или гусеницей, результат уплотнения почвы — процесса, неизбежно связанного с затратой большого количества энергии. Стопа шагающей машины, как и стопа человека, тоже погружается в мягкую почву, и такое движение тоже сопряжено со значительным расходом энергии, однако опыты свидетельствуют, что расход ее меньше, чем у колесных и даже гусеничных машин.
      Наряду с этими преимуществами шагающим машинам свойствен, естественно, ряд недостатков. Колеса и гусеницы машин движутся непрерывно и равномерно. Ноги же шагающей машины по отношению к ее корпусу, как и ноги человека по отношению к туловищу, движутся очень сложным образом. Поддержание такого движения требует затраты сравнительно большой энергии, при убыстрении темпа движения быстро растут инерционные нагрузки. Шагающая машина не может и никогда не сможет двигаться со скоростью, хоть сколько-нибудь приближающейся к скорости колесной машины, это исключает целесообразность их применения для движения по дорогам. Конструкция ноги шагающей машины, как и живой ноги, всегда оказывается сравнительно сложной, содержащей несколько подвижных сочленений, каждое из которых нуждается в независимом приводе.
      Эти недостатки стопохождения — неизбежная плата за маневренность и подвижность стопоходящего существа. Человек легко и быстро поворачивается вокруг вертикальной оси, может прыгать на одной или двух ногах по ровной и неровной поверхности, по ступеням лестницы, не поворачиваясь отходить назад или в сторону, может приседать, менять походку, переходить на бег, переступать и перепрыгивать. Удивительные возможности этого способа передвижения — вот что направило поиски инженеров, ученых и конструкторов в область стопохождения.
      Изучались и изучаются способы передвижения, используемые различными животными и насекомыми, движущимися шагом, бегом и рысью, галопом и прыжками.
      Поначалу движение прыжками казалось наиболее предпочтительным. Механизм прыгающей машины сравнительно прост: две неуравновешенные массы, вращающиеся в противоположные стороны, развивают периодическую силу, действующую вдоль некоторой оси. Направлением действия силы легко управлять путем дополнительного поворота грузов. Под действием периодической силы площадка, на которой установлены грузы и приводящий их во вращение двигатель, может прыгать вперед или назад; меняя скорость вращения грузов, можно регулировать длину прыжка. Все бы хорошо, но...
      Кузнечик, оттолкнувшись от земли, крылышками поддерживает в полете равновесие и меняет направление движения, выбирая точку приземления. Кенгуру для этих целей использует хвост. Прыгающую машину, при сколько-нибудь большой длине прыжка, тоже надо снабдить устройствами стабилизации и управления, чтобы она не кувыркалась в полете. Может быть это и можно сделать, но тогда от ожидаемой простоты конструкции не останется и следа. Кроме того, чем выше и дальше прыжок, тем сильнее удар о землю, и чтобы спасти груз и машину от поломок, экипаж от увечий, ее нужно снабдить амортизацией, сравнимой с той, какую обеспечивают задние ноги кенгуру или кузнечика, блестяще приспособленные не только для отталкивания, но и для приземления. Поэтому движение прыжками осталось уделом некоторых конструкций трамбовок, медленно движущихся по обрабатываемой поверхности, «не помышляя» о глобальных движениях, оставляющих на земле пунктирный след.
      Чем отличается бег от ходьбы? При ходьбе все время хотя бы одна из ног находится в контакте с землей, а во время бега опорные периоды чередуются с безопор-ными, чем шире шаг, тем длиннее безопорный период. Бегущий человек не задумывается над тем, как поддерживать равновесие тела, как ускорять и замедлять бег, переходить на шаг, удлинять или укорачивать его — все это он делает «автоматически». К сожалению, над этими вопросами приходится серьезно задумываться, если решить построить машину бегающую, движущуюся рысью или галопом. Дальше размышлений на эту тему, насколько нам известно, пока никто не пошел. А дорога поисков привела к машинам, передвигающимся не бегом или галопом, а неторопливым шагом. И тут возникает немало вопросов, связанных с попыткой в полном объеме воспроизвести походку стопоходящего существа. Чтобы в этом убедиться, поставим левую ногу немного впереди правой и затем сделаем всего лишь один шаг. Проследим, с какими действиями этот шаг сопряжен.
      1. Прежде всего начинает двигаться туловище так, что центр тяжести тела перемещается вперед и немного влево, его вес переносится на левую ногу.
      2. Правая нога начинает сгибаться в тазобедренном и коленном суставах. Уже правая пятка оторвалась от земли, оттолкнулся правый носок, сообщив телу движение вперед.
      3. И вот правая нога в воздухе. С разными угловыми скоростями сгибаются ее бедро и голень так, что когда она оказалась впереди левой ноги, бедро и голень уже вытянулись в прямую линию и скорость их замедляется к моменту касания правой пяткой земли.
      4. А движение тела продолжается, и в момент, когда правая пятка коснулась земли, его тяжесть начинает переноситься на правую ногу (вперед и немного направо).
      Так в грубых чертах и очень приблизительно выглядит механизм одного шага. Он сопряжен со сложнейшими движениями рук, туловища и головы. Причем все эти части человеческого тела движутся в различных направлениях, с различными амплитудами и скоростями. Конечно, нет технических возможностей искусственно воспроизвести такое сложное движение и при попытках построить шагающую машину нет речи о том, чтобы повторить в ней весь механизм шагания человека или другого стопоходящего животного. Нога машины, как рука манипулятора, только приблизительно антропоморфна п, конечно, только в самом скромном объеме может воспроизводить двигательные функции естественной нижней конечности.
     
      Шагающий грузовик
      В детстве вы, наверное, пробовали ходить на ходулях. Длинная палка, на ней на некоторой высоте прикреплена опорная площадка для ноги — вот вся нехитрая конструкция ходули.
      Оказывается, ходить на ходулях легче, чем стоять на месте, — новичок, чтобы сохранить равновесие, вынужден все время двигаться, хаотически переступая вперед и назад, смещаясь вправо и влево. Даже опытный «ходульных дел мастер» — цирковой артист, исполняя номера, связанные с поддержанием равновесия, непрерывно перемещается. Маленький ребенок сначала научается ходить и только потом — стоять на месте.
      Можно усложнить конструкцию ходули, снабдив ее двухзвенным механизмом, имитирующим бедро и голень ноги. Связав две такие ходули общей площадкой, можно построить двуногий стопоходящий механизм. Для привода в движение таких механических ног можно использовать внешние источники мощности, например электро-или гидропривод, а за человеком оставить функции управления. В результате получится двуногая стопоходящая машина. Все бы хорошо, но управление ею займет внимание оператора в течение всего периода пользования, независимо от того, движется он с машиной или пытается стоять на месте: он не сможет ни на секунду отвлечься от непрерывного балансирования. И, пожалуй, самый главный довод против двуногих шагающих машин заключается в том, что если привод одной из ног внезапно выйдет из строя и это произойдет, когда вторая нога в воздухе, то катастрофа становится неизбежной.
      В созданиях живой природы проглядывает определенная «закономерность»: чем ниже организация животного, тем большим количеством ног оно располагает. Насекомому природой дано шесть ног, стопоходящему животному — четыре ноги, «венцу творения» — человеку — две. При создании шагающих машин пришлось пойти примерно по тому же пути — делать число ног тем большим, чем ниже «уровень организации» машины.
      Начнем ознакомление со стопоходящими машинами с четырехногой американской машины, которую иногда называют «шагающим грузовиком», иногда «механической лошадью», Машина весит около 1,5 т, ее длина
      «Шагающий грузовик».
      Оператор руками и ногами управляет этим четвероногим экипажем. При этом координируются одновременно 12 движений в соответствии с «походкой» оператора. Нога машины может служить и ее рукой — различие между механической ногой и механической рукой значительно меньше, чем между их естественными прототипами
      достигает 3,5 м, высота 3 м, длина ноги 2,3 м. Она снабжена 90-сильным автомобильным двигателем, приводящим гидронасос, питающий гидродвигатели механизмов ног.
      Каждая из ног представляет собой трехзвенный рычаг, или трехзвенный манипулятор, все звенья которого движутся в одной плоскости. Движение каждого из сочленений осуществляется отдельным приводом. Оператор располагается в кабине, помещающейся в центральной части машины, руками он управляет передними ногами машины, ногами — задними ногами машины. Управление
      сводится к тому, что оператор как бы «ходит» в кабине, двигая в некоторой привычной ему последовательности руками и ногами, причем руками он держит рукоятки, а ноги его стоят на педалях. Одновременно с движениями рукояток и педалей, воздействующих на гидромеханические сервосистемы, начинают двигаться ноги механической лошади, грузоподъемность которой достигает 500 кг, а скорость 10 км/час. Оператор управляет одновременно 12 приводами и естественным образом может изменять длину шагов и темп движения «лошади». Все каналы управления обратимы — оператор чувствует сопротивление почвы, когда на нее становится нога машины, так, будто почвы касается непосредственно его нога.
      Естественно, что управление такой машиной требует от оператора определенных навыков, начиная с выработки оптимальной походки.
      Человек, счастливый обладатель всего лишь двух ног, не должен задумываться, какой ногой ему надо делать второй шаг, если первый шаг он сделал левой. Ясно, что второй шаг надо сделать правой, иначе он рискует оказаться в положении, которое занимает гимнаст, делая так называемый шпагат.
      Лошадь или корова, сделав шаг, например передней левой ногой, оказываются перед проблемой довольно обширного выбора, что делать дальше. Чтобы разобраться в этом, обозначим переднюю левую ногу механической лошади цифрой 1, переднюю правую цифрой 2, заднюю правую — цифрой 3, заднюю левую — цифрой 4. Будем считать, что одновременно в воздухе может быть только одна нога, иначе машина опрокинется. Если перебрать все варианты переступания ногами, окажется, что возможны шесть видов походок, в зависимости от того, какой последовательности придерживаться:
      1 — 2 — 3 — 4 ( 1 — 3 — 4 — 2
      1 — 2 — 4 — 3 1 — 4 — 3 — 2
      1 — 3 — 2 — 4 1 — 4 — 2 — 3
      Анализ показывает, что разным походкам свойственна различная степень устойчивости. Лошади и корове природа определила для медленной ходьбы, например, когда они передвигаются по пастбищу, походку типа 1 — 3 — 2 — 4, которая, как оказывается, обладает максимальной устойчивостью.
      Шагающий грузовик построен и прошел испытания. Что они показали? Оператору удается одновременно управлять 12 сервосистемами и воспринимать и реагировать на 12 усилий, отраженных на его руки и ноги. К сожалению, нам неизвестно, какой из шести возможных походок пользовался оператор шагающего грузовика.
      Чтобы управлять машиной, нужна тренировка, позволяющая оператору освоить ряд важных особенностей, значительно отличающих «машинную» походку от естественной.
      Прежде всего существует рассогласование между управляющими движениями оператора и движениями ног машины, между моментом, когда сопротивления прикладываются к ее ногам и подвижным сочленениям, и моментом, когда это сопротивление чувствует оператор. Оператор сидит и поэтому испытывает при движении машины значительно меньшие усилия, чем их испытывает человек при ходьбе, когда воспринимает полностью вес своего тела. Наконец, движения оператора передаются ногам машины в четырехкратно увеличенном масштабе, т. е. шаг машины в четыре раза больше «шага» оператора; чтобы при этом правильно соразмерять усилия и перемещения, тоже необходим навык.
      Несмотря на указанные и другие особенности, усложняющие задачу оператора, опыты показали, что осуществить такой способ взаимодействия человека и машины можно. Повинуясь оператору, машина при испытаниях шла вперед и назад, поворачивалась на месте, балансировала на двух диагонально расположенных ногах, проходила через узкие проходы, тащила по полу груз весом 500 кг, поднимала одной передней ногой груз в 200 кг, укладывала его на платформу автомобиля и т. д.
      Коротко расскажем о том, как устроена система, позволяющая оператору управлять всеми движениями машины и ощущать эти движения.
      Для привода каждого из сочленений используются совершенно одинаковые по принципу действия гидромеханические устройства. К управляющему рычагу такого устройства шарнирно присоединено управляющее звено, на которое воздействует оператор, и звено, связанное с соответствующим суставом механической ноги. Кроме того, к этому же рычагу шарнирно присоединены корпус силового цилиндра гидродвигателя и поршенек золотника, управляющего подачей в силовой цилиндр жидкости под давлением.
      Как только оператор начинает поворачивать рычаг, поршенек золотника смещается, открывая доступ жидкости в ту или иную из полостей силового цилиндра. Если оператор движет рычаг влево, то влево движется силовой цилиндр. Преодолевая сопротивление нагрузки и поворачивая вместе с тем рычаг, силовой цилиндр, а вместе с ним подвижное сочленение механической ноги, как бы отслеживает движение управляющего звена, движение оператора. Одновременно поршенек золотника сдвигается относительно окон, соединяющих левую полость цилиндра с гидронасосом, подающим жидкость под давлением, а правую полость со сливным баком. К моменту, когда движение будет закончено, золотник перекроет отверстия. Если оператор сдвинет рычаг вправо, то и это движение будет «отслежено» механической рукой.
      Система обратима. Оператор чувствует сопротивление нагрузки, конечно, не полностью, а лишь часть ее, которая определяется соотношением плеч на управляющем рычаге.
      В нашем пересказе все сильно упрощено. В гидромеханическом обратимом следящем устройстве шагания приняты специальные меры, чтобы повысить чувствительность и быстродействие системы, введены дополнительные устройства, чтобы сделать управление более плавным, и т. д. Тем не менее такая упрощенная схема дает представление об общей схеме управления, объединяющей руки и ноги оператора с ногами шагающего грузовика.
      Человек и машина связаны в единый биотехнический агрегат. Ноги машины повторяют движения ног человека; выбор темпа движения, приспособление походки к условиям движения, соразмерение шагов с встречающимися на пути препятствиями, способы преодоления препятствий — все это определяет оператор. Его задачи примерно те же, что и при работе на копирующем манипуляторе. Правда, здесь вместо двух механических рук приходится управлять четырьмя механическими ногами, но зато каждая из ног движется только в плоскости. Каждая из рук обычного копирующего манипулятора обладает шестью степенями свободы (исключая движение схвата), значит, управляя двумя руками манипулятора, оператору приходится иметь дело с 12 степенями свободы.
      А в шагающем грузовике каждая из ног обладает тремя степенями свободы, для четырех ног получаются те же 12 степеней свободы.
      Работы по созданию шагающего грузовика носят поисковый, экспериментальный характер. Но на их базе появляются новые предложения и изобретения. Так, в частности, в технической печати обсуждается возможность создания машины, сочетающей принципы шагания и перекатывания. По хорошей дороге машина катится на колесах, при движении по бездорожью колесо играет роль стопы, а шагание осуществляется управляемым механизмом подвески колеса.
      В принципах построения шагающих машин, как и в принципах построения полуроботов, обнаруживаются две тенденции. Одна проявляется в стремлении обеспечить оператору эффект присутствия — посадить его в машину, другая — создать телеуправляемую систему.
     
      Многоногие машины
      Мы уже знаем о многообразии походок у четвероногих. Еще большее разнообразие энтомологи наблюдают у насекомых. Походка насекомого может сильно меняться, например, в зависимости от скорости его движения. При медленном движении, скажем, жук, имеющий шесть ног, может ходить, переставляя поочередно по одной ноге; варьируя при этом очередность, он имеет возможность выбрать одну из 120 типов походок.
      При большей скорости движения в фазе переноса могут одновременно находиться по две ноги, обычно по одной из трех левых и трех правых; таких походок — симметричных и несимметричных — может быть девять. Наконец, когда жук торопится, он переступает одновременно тремя ногами: двумя левыми и одной правой, затем одной левой и двумя правыми. Он идет так, что всегда опирается на три ноги, образующие опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести его тела. Шесть ног — минимальное число, которое обеспечивает возможность идти медленно или быстро, не раскачиваясь из стороны в сторону, как это приходится делать двуногим и четвероногим, чтобы непрерывно сохранять устойчивое положение.
      «Механический пешеход».
      Он движется автоматически; «походка» задается размерами и устройством механизма и не может меняться в соответствии с условиями движения
      Вот почему давно обсуждаются возможности (и конструкции) многоногих шагающих машин. Для такой машины вопросы устойчивости становятся особенно важными, когда она предназначена для автономного передвижения и не несет оператора, управляющего ее походкой, каждое мгновение готового своими действиями так или иначе стабилизировать ее положение. Без оператора «уровень организации» оказывается сравнительно низким, приходится число ног увеличивать. Лишняя пара ног машины позволяет оператору избавиться от необходимости балансировать вместе с ней и заниматься вопросами управления, отойдя от нее на расстояние и не ощущая ее движений.
      К настоящему времени уже разработано несколько типов многоногих шагающих машин. С вопросами их создания, принципами построения и устройства удобнее всего ознакомиться на примере опыта американской фирмы Space-General Corporation (SGC).
      На стр. 20 помещена фотография макета их шестиногой машины, получившей название «Лунный пешеход» («Lunar Walker»). Фирмой было разработано еще несколько вариантов машин подобного типа, только уже не шестиногих, а восьминогих, еще более устойчивых и менее требовательных в этом отношении к условиям движения.
      Такой механический пешеход представляет собой корпус, содержащий механизмы привода, опирающийся на широко расставленные ноги, попарно сгруппированные в углах этого корпуса. Длина, ширина и высота восьминогого пешехода соответственно равны 180X120X90 см. В качестве источника мощности используется аккумуляторная батарея.
      В отличие от ноги шагающего грузовика, нога «пешехода» движется по наперед заданному закону, который определяется структурой и размерами кулачково-рычажного механизма, приводящего в движение бедро и голень. Посредством этого механизма вращательное движение электродвигателя преобразуется в шаговые движения ноги. В корпусе машины помещаются два одинаковых устройства привода — левый и правый. Каждый из них включает четыре одинаковых кулачково-рычажных механизма, сблокированных попарно и приводящих в движение пары передних и задних ног, расположенных с одной стороны машины. Валы кулачков соединены между собой так, что все четыре ноги одной стороны движутся в определенном порядке. Точно так же устроен привод четырех ног другой стороны машины.
      Кинематика шага, определяющая траекторию движения ноги, включает четыре интервала: 1) опорный, занимающий половину времени движения ноги, 2) подъема ноги, 3) приземления ноги, 4) переноса ноги. Три последних этапа, на протяжении которых нога не касается опорной поверхности, также занимают половину времени одного шага. При такой кинематике восьминогая (или шестиногая) машина в процессе движения всегда опирается на четыре (или три) ноги и сохраняет устойчивое равновесие. Таким образом геометрия движения машины полностью определена. Будучи пущена в определенном направлении, она будет двигаться по гладкому участку дороги, взбираться по наклонным поверхностям, перешагивать через препятствия, «делая все возможное», конечно, в пределах, ограниченных ее размерами и мощностью привода.
      То обстоятельство, что движение левых и правых ног машины «запрограммировано» размерами механизмов и профилями кулачков, значительно облегчает задачу управления ею. Два двигателя приводят независимо один от другого четыре левые и четыре правые ноги. При движении вперед или назад оба двигателя вращаются в одинаковых направлениях; чтобы машина повернула влево или вправо, достаточно двигатели включить так, чтобы они вращались в противоположные стороны. Таким образом, здесь вполне уместна «кнопочная» система управления из четырех кнопок — вперед, назад, вправо, влево.
     
      Шагающий поезд
      Луноход — машина обратимого типа. Это означает, что она шагает не только тогда, когда вращают вал кулачкового механизма, но и в том случае, если ее тянут или толкают, как, скажем, паровоз тянет вагоны. Значит, можно себе представить две или несколько таких машин, тянущих одна другую.
      Фирма SGC разрабатывала проект поезда, состоящего из пяти «механических пешеходов».
      Цель проекта состояла в том, чтобы создать транспортную систему, проходимость которой по неприспособленным для передвижения поверхностям была в какой-то мере соизмерима с возможностями человека. Разрабатывалась она для армейских нужд и предназначена для транспортного обслуживания пешего взвода. Головной «пешеход» выполняет функции тягача, четыре остальных — грузовые, по одному на каждое из отделений взвода. Грузоподъемность четырех «пешеходов» достигает 500 кг, собственный вес каждой из машин около 100 кг. Тягач оснащен 30-сильным двигателем внутреннего сгорания. Управляется он с помощью длинной рукоятки, расположенной в его передней части: в зависимости от того, тянет ее оператор или толкает, тягач переключается на передний или задний ход, ею же осуществляется управление поворотом. Размеры машины и ее шагающего механизма позволяют ей свободно перешагивать через неровности и препятствия высотой до 25 см.
      Стопоходящее кресло.
      Оно «преодолевает» пороги, ступени лестницы, бортики тротуаров и другие элементы строительных сооружений, которые никогда не считались препятствиями для стопоходящих существ, но не рассчитывались для движения по ним колесных экипажей
      До сих пор мы не пытались расшифровывать, что такое «поверхность, не приспособленная для передвижения по ней». Под это занятие в общем подходит и густой лес, и болото, и глубокий ров. Естественно, что когда речь идет об оценке проходимости машины, надо оперировать более конкретными, не только качественными, но и количественными оценками состояния поверхности. «Механический пешеход» должен передвигаться вместе с пешим армейским подразделением. Это, конечно, не значит, что он должен пройти там, где проходит без посторонней помощи солдат. Такое требование тоже было бы неопределенным — солдат может обладать навыками пловца, альпиниста. Да и не имей он их, все равно попытка построить машину, по проходимости полностью сравнимую с человеком, заранее обречена на неудачу. Технические условия на «пешехода» были сформулированы в соответствии с требованиями материально-технического снабжения армейского взвода. Вот некоторые из этих условий: полностью нагруженный экипаж должен взбираться на тридцатиградусные склоны или проходить их по диагонали; удельное давление на почву, создаваемое стопой машины, не должно превышать 0,3 кг/см2; экипаж должен взбираться на препятствия высотой 25 см, подходя к ним по уклону в 45°, и сходить с них на уклон в 45°; экипаж должен передвигаться по слою грязи, песка или гравия глубиной в 15 см; радиус поворота экипажа не должен превосходить 2 м; экипаж должен проходить между деревьями, растущими на расстоянии 120 см одно от другого. Считают, что стопоходящая машина сможет выполнить все эти достаточно серьезные требования.
      Еще один пример, иллюстрирующий возможности применения стопоходящих машин. Речь идет о работе, выполненной фирмой SGC совместно с Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе по заказу Министерства здравоохранения США. В медицинской практике (в очень ограниченном количестве) используется кресло на колесах с электрическим приводом для самостоятельного передвижения больных с ампутированными или парализованными конечностями. Фактически оно выполняет функции протезов или аппаратов нижних конечностей в случаях, когда непосредственное использование подобных устройств по тем или иным причинам оказывается невозможным. Проходимость электрокресла весьма ограниченна, оно может легко передвигаться лишь по гладкому полу, порог высотой 1,5 — 2,0 см представляет для него уже серьезное препятствие.
      Была поставлена задача создать шагающее кресло для больного ребенка, сидя в котором он бы мог самостоятельно выйти за пределы помещения, погулять по саду и т. п. Для передвижения был использован такой же кулачково-рычажный шагающий механизм, как в луноходе и в военном пешеходе-тягаче. Восемь таких механизмов приводят в движение восемь ног. Независимые электроприводы для четырех правых и для четырех левых ног позволяют изменять движение кресла, а для управления движением достаточно иметь один рычаг. Опыт показал, что с задачей управления таким креслом больной ребенок справляется даже в случае, если он не может шевелить ни руками, ни ногами. Ему достаточно двигать головой, подбородком нажимая на рычаг управления, переводя его вперед или назад, направо или налево.
      Вот некоторые из технических условий, которые были поставлены при проектировании стопоходящего кресла: оно должно подниматься на бортик высотой 15 см, окаймляющий тротуары на улицах, и спускаться с него; ходить по песчаному берегу; ходить по неровной дороге с высотой неровностей до 10 см; устойчиво двигаться по уклонам до 15°; иметь грузоподъемность не менее 30 кг.
      Как видно, в некоторых случаях «бездорожными» оказываются дом с лестницами и порогами, улица с тротуарами и бортиками. Все, с чем так легко справляется человек, оказывается непроходимым для колеса.
      Если когда-нибудь совершится то, о чем так страстно мечтают писатели-фантасты, и люди приведут на свои предприятия и в свои дома роботов, то что надо будет делать? Строить ли предприятия и дома так, чтобы они были проходимы для колесных машин, или конструировать роботы по образу и подобию человека? Представляется, что стопоходящие машины, возможно, еще не сказали своего последнего слова, что полуроботы и роботы ближайшего или более отдаленного будущего окажутся антропоморфными не только потому, что будут работать механическими руками, но и передвигаться будут, шагая так, как шагает человек.
     
      Человек в футляре
      При создании космических скафандров ученым и инженерам приходится думать не только о защите человека от смертельной опасности вакуума. Чтобы, как говорил К. Э. Циолковский, завоевать околосолнечное пространство, люди должны активно действовать в нем, работать, двигаться, монтировать установки, станции, жилые сооружения, управлять машинами и механизмами, т. е. космонавт, одетый в скафандр, должен чувствовать себя так же свободно, как человек, одетый в обычный костюм.
      Решить эту проблему не просто. Раздутый воздухом скафандр препятствует движению рук и ног, пальцы рук в перчатках становятся малоподвижными — все это затрудняет выполнение многих рабочих операций. Обычные конструктивные мероприятия к эффективным результатам не приводили. Пришлось использовать необычные пути. Идея, положенная в основу одной из необычных конструкций, выглядит приблизительно так. Если космонавту, одетому в скафандр, трудно двигать руками и ногами, то чтобы ему помочь, следует использовать внешние источники мощности — двигатели, которые бы изгибали костюм в нужном космонавту направлении. Но непосредственно на костюме двигатели укрепить невозможно, значит, нужно построить специальный «футляр» с подвижными сочленениями, создать для космонавта как бы наружный скелет. Тогда человек в футляре будет легко наклоняться, двигать руками и ногами; в соответствии с этими движениями соответствующие части футляра также должны изгибаться и поворачиваться, усиливая естественные движения человека, давая ему возможность легко обращаться с такими тяжестями, которые непосильны человеку в обычном состоянии.
      Такова вкратце идея устройства, которое получило название экзоскелетон (наружный скелет).
      Около 10 лет назад разработку экзоскелетона начала Корнельская лаборатория аэронавтики (Cornell Aeronautical Laboratory — CAL). Уже на первом этапе исследований стало ясно, что невозможно сделать экзоскелетон, сравнимый в отношении подвижности с живой «конструкцией». Следовательно, первая задача состояла в том, чтобы на основе антропометрических исследований выбрать расположение, вид и оптимальное число его подвижных сочленений, согласующее требования максимальной подвижности и возможности практического осуществления, а затем экспериментально проверить и уточнить выбранную кинематическую структуру.
      Даже на этом первом этапе, когда фактически решались только вопросы геометрии и кинематики, исследователи встретились с большими трудностями. Не вдаваясь в подробности, поясним на простых примерах, какие вопросы приходится решать при разработке устройств типа экзоскелетон.
      Локтевой сустав, как коленный и другие суставы тела, имеет сложное устройство. Головки костей, образующие его «кинематическую пару», не просто шарнир с постоянной осью вращения — при относительных поворотах они перекатываются одна по другой, при этом мнимая ось вращения не остается неподвижной, а как бы перемещается по поверхностям контакта.
      Принцип построения и геометрические свойства живых сочленений изучены чрезвычайно мало, и пытаться в точности воспроизводить их при конструировании искусственных суставов бессмысленно. Поэтому в экзоскелетонах, как в манипуляторах и педипуляторах, вместо сложных пар качения применяют обычные шарнирные сочленения. Но если сочленения экзоскелетона движутся не совсем так, как естественные, значит, космонавт и его костюм будут двигаться по-разному. Не повредит ли это космонавту? И, наконец, пусть экзоскелетон изготовлен. Как его соединить с человеком? Как сделать так, чтобы эти соединения не мешали совместным движениям биотехнической системы? Как заставить двигаться футляр, чтобы его движения были мощными и быстрыми? Как разместить на экзоскелетоне серводвигатели, необходимые, чтобы привести в движение все подвижные сочленения? Подобные и многие другие вопросы, решение которых представляет не только практический, инженерный, но и научный интерес, составляют содержание лишь одного из разделов исследований и работ, которые ведутся сейчас уже в ряде стран.
      Один из вариантов экзоскелетона имеет двухслойную конструкцию. Внутренний слой надевается непосредственно на оператора и включает связанную с ним легкую конструкцию-механизм. Такой внутренний экзоскелетон повторяет основные движения оператора, для выполнения которых предназначена вся система, и осуществляет функции управления мощным наружным экзоскелетоном. Последний копирует эти движения, многократно усиливая их. Но что значит многократно? Необходимо учитывать, что двигатели размещают в пространстве, ограниченном довольно скромными размерами экзоскелетона, и если их собственные размеры будут слишком велики, это будет стеснять движения оператора.
      Ответы на эти вопросы потребовали дальнейших исследовательских и конструкторских разработок. В конечном счете оказалось, что можно построить экзоскелетои, который позволит человеку легко поднять полутонный груз и нести его со скоростью около 1,5 км/час.
      В этой конструкции, получившей название «Харди-мен», оператор, с надетой на него управляющей частью системы, стоит внутри антропоморфной конструкции, состоящей из двух половин, соединенных в поясной части специальным разъемным устройством. Футляр воспринимает действие внешних нагрузок и свой собственный вес и повторяет все движения оператора за исключением движений кистей, взамен которых у «Хардимена» схваты, примерно такие же, как у обычного манипулятора. 30 степеней подвижности оказывается достаточным, чтобы «Хардимен» мог выполнять множество задач, связанных с подъемом, переноской, укладкой самых различных грузов.
      На один из главных вопросов, как объединить между собой внутренний и внешний слои экзоскелетона, его управляющую и управляемую части, конструкторы «Хардимена» ответили следующим образом. Это можно сделать с помощью гидромеханических устройств, примерно таких же, что использованы в шагающем грузовике. Тогда управляющая и управляемая части системы будут связаны 30 обратимыми следящими системами. По этой искусственной «нервной сети» будут течь управляющие сигналы от человека к его механической копии, а в обратном направлении — сигналы обратной связи, сигналы очувствления, дающие оператору естественные ощущения того, что не его механическая копия, а он сам выполняет движения, испытывая при этом приемлемые нагрузки.
      А можно ли оператору выйти из футляра и, не теряя с ним связи, управлять его движениями и действиями на большом или на очень большом расстоянии?
      Такие возможности тоже учитываются и, в частности, есть предложения использовать для этих целей биоэлектрические системы управления, позволяющие наиболее естественным образом организовать дистанционное взаимодействие между оператором и его механической копией или даже несколькими копиями. Тогда десятки роботов одновременно будут повторять движения человека, если в этом возникнет необходимость.
      В романе «Борьба миров» Герберт Уэллс описывает фантастическую картину высадки на Землю марсиан, передвигающихся с помощью шагающих машин. Есть все основания думать, что эта картина рисует будущее, как говорят, с точностью до наоборот, т. е. не марсиане сделают попытку освоить Землю и приспособить ее для своих нужд, а жители Земли начнут осваивать Марс. Почему бы землянам при этом не использовать шагающие экзоскеле-тонные полуроботы? А возможно, удобнее будет направлять их действия и поступки с большого или очень большого расстояния, так что люди при этом будут оставаться в безопасной зоне?
      В последние годы предполагаемую область использования устройств типа экзоскелетон не ограничивают космосом. Есть сообщения о возможности на их базе строить шагающие манипуляторы, использовать их для подводных работ и исследований. Самое удивительное, что при этом фантазия начинает разыгрываться все больше не только у писателей-фантастов — людей, склонных в силу своей профессии представлять невозможное действительным. Ученые и инженеры, которым «по штату» положено фантазировать в самых скромных пределах, все чаще кажущееся невозможным делают практически осуществимым.
     
      Глава седьмая
      В ДВУХ ОКЕАНАХ
     
      Начало завоевания подводного царства
      Человек живет на суше — участке пространства, окруженном двумя океанами — воздушным и водным. Чтобы проникнуть в них, он прибегает к одному и тому же способу — созданию искусственного жизненного микропространства. Первым из людей, побывавшим в недрах водного океана, был швейцарский физик Август Пикар: в 1953 г. у побережья Италии в батискафе своей конструкции он опустился на глубину свыше трех километров, таким образом отпраздновав свое семидесятилетие*.
      После этого Август Пикар и его сын Жак приступили к постройке «Триеста», глубоководного обитаемого аппарата, предназначенного для океанографических исследований. Главной целью при этом ставилось добиться максимальной глубины погружения. 23 января 1960 г. «Триест» с Жаком Пикаром и Доном Волшем на борту достиг рекордной глубины 10 912 м.
      Однако, если глубоководные корабли — обитаемые или телеуправляемые — не оснастить средствами активного взаимодействия со средой, человеку останется роль лишь пассивного наблюдателя. Это было ясно Пикарам, и с момента первого погружения «Триеста» началась работа по оснащению его манипулятором — к тому времени в атомной промышленности уже был накоплен большой опыт в области создания механических рук. В 1961 г., за год до смерти А. Пикара, «Триест» стал первым глубоководным аппаратом, оснащенным манипулятором. Когда в 1963 г. в Атлантическом океане погибла американская подводная лодка «Трэшер», вместе с другими спасательными средствами в район ее гибели был доставлен и «Триест», и именно он нашел, взял своей рукой и поднял на поверхность кусок трубы с «Трэшера», значительно сузив таким образом район поисков.
      К этому времени строительство обитаемых глубоководных аппаратов приняло широкий размах, что было вызвано острой практической необходимостью и многообещающими в экономическом отношении перспективами освоения «подводного царства» *.
      * Океан начинает играть все большую роль в пищевом балансе населения Земного шара. Например, в Японии две трети
      Одна из важнейших областей применения глубоководных обитаемых аппаратов — океанографические исследования, изучение физических, геологических и биологических свойств и характеристик океана, сбор образцов и коллекций на его дне и в прилегающих ко дну слоях воды. Гигантский объем этих исследований становится понятным, если вспомнить, что Мировой океан покрывает более 2/з Земного шара и вмещает 1,5 млрд. км3 воды. Океанографы создали устройства и приборы, которые еще много лет будут составлять основу океанографической техники, — сети, драги, тралы, разнообразные инструменты и приборы для взятия проб и различных измерений; развиты методы телефото- и телекиносъемки. Но вся эта техника работает «на привязи». Пользуясь ею, исследователь зачастую не знает точно, какое положение относительно корабля занимают применяемые орудия, не имеет возможности получить представление о рабочей зоне, в которой идут измерения, сбор образцов. Решение же ряда важных проблем океанографии требует непосредственного наблюдения, выборочного сбора, иначе говоря, в глубинах океана и на его дне должны находиться и глаза, и мозг человека, и его руки.
      Обитаемый аппарат обеспечивает эффект присутствия человека в рабочей зоне. Находясь в нем, человек видит топографию дна, может осмотреть большую поверхность, различить естественные форму и цвет, выбрать объект исследования, оценить его значимость, запомнить его положение. Между глубоководным «Триестом» и сухопутным «Жуком» много общего: они оба дают возможность человеку существовать и работать в условиях и средах, требующих специальной защиты, они могут передвигаться — один в воде, другой по суше — на расстояния, значительно большие их собственных размеров, т. е. совершать глобальные движения, они оснащены механическими руками, способными выполнять региональные и локальные движения. Другими словами, «Триест» и подобные ему аппараты — это те же полуроботы, только работающие не на суше, а в воде, конечно, с некоторыми конструктивными особенностями, обусловленными спецификой их применения.
      всей потребности в белковой пище удовлетворяется «урожаем», собираемым с океанских полей.
     
      Глубоководные полуроботы
      «Триест» был оснащен готовыми манипуляторами, их лишь приспособили к его задачам и его конструкции. В дальнейшем же начался этап совершенствования глубоководных полуроботов. Они проектировались уже как система, в которой органы передвижения и манипулирования вместе с информационными устройствами составляли единое целое.
      Океанография — важная, но далеко не единственная область применения глубоководных аппаратов. Не менее важным и многообещающим становится их применение для различных подводных работ. Для этой цели американской фирмой Autonetics Corporation разработан глубоководный аппарат «Бобр» («Beavar»), на примере которого можно ознакомиться с принципами устройства, функциями и возможностями подобных полуроботов.
      Он представляет собой стальную яйцевидной формы камеру, длиной около 5 м, диаметром около 2 м. Снаружи по бокам корпуса на поворотных кронштейнах расположены сдвоенные гребные винты, дающие возможность аппарату двигаться в горизонтальной плоскости, всплывать вверх, «зависать» в толще воды; с их помощью можно развить тяговую силу около 25 кг. Аппарат снабжен якорем, удерживающим его на месте при работе в условиях подводных течений, и несет балласт, чтобы иметь возможность, заменив его полезной нагрузкой, поднимать со дна на поверхность объекты весом до 600 кг. Он может опускаться на глубины до 300 м.
      Кабина аппарата оснащена оборудованием жизнеобеспечения, навигационными приборами, устройствами связи с надводным кораблем или землей. Единую систему с корпусом образуют четыре манипулятора, расположенные попарно и симметрично с двух его сторон. Команда состоит из двух человек, которые в процессе работы выполняют обязанности операторов. Один из них, воздействуя на винты, управляет глобальными движениями аппарата, движениями поиска и ориентирования. Аппарат, находящийся во взвешенном состоянии в воде, под действием даже очень слабых течений и случайных возмущений легко меняет положение, и предупредить это только за счет действия гребных винтов невозможно. Положение аппарата изменяется и тогда, когда он взаимодействует с объектом манипулирования, поэтому возникает необходимость достаточно жесткой стабилизации его в процессе работы.
      Для этой цели служат две (из четырех) механические руки. Каждая из них обладает пятью степенями подвижности, дающими возможность ориентировать схват, которым «Бобр» хватается за неподвижный объект, например строительную конструкцию или затонувший корабль, и подтягивается к нему на большее или меньшее расстояние. Используя эти две руки, аппарат фиксирует себя на рабочем месте и меняет это положение так, чтобы две другие руки занимали наиболее удобные для работы положения, поскольку при выполнении той или иной операции руки могут оказываться в таких зонах рабочего объема, где их манипулятивность недостаточна, либо возникает необходимость достичь зоны, находящейся вне рабочего объема рук. Необходимый объем движения рабочих рук определяет положения аппарата относительно объекта и соответствующие изменения в положении фиксирующих рук.
      Рабочие руки «Бобра» обладают восемью степенями подвижности и вследствие этого большой гибкостью. Две степени свободы, дополнительные к обычным шести, создаются звеном, вставленным между кистью и предплечьем и шарнирно с ними сочлененным, и вращательным движением кисти. Кисть манипулятора представляет собой не обычный двупалый схват, ограничивающий ее функциональные возможности, а своеобразный наконечник, в котором можно укреплять самый различный инструмент *.
      Сменный инструмент (обычный двупалый схват, щипцы, сверло, отвертка, державка сварочного электрода и т. п.) хранится в специальном магазине с гнездами, укрепленном на наружной части корпуса. Для замены оператору достаточно ввести кисть руки с укрепленным в ней инструментом в свободное гнездо магазина; сделав несколько простых движений, разомкнуть замок и вынуть свободную кисть, оставив в гнезде использованный инструмент; свободную кисть ввести в нужное гнездо, замкнуть несколькими движениями замок, соединив ее с находящимся там инструментом.
      Замена одной универсальной кисти несколькими, имеющими различную «специализацию», — это уже второй способ компенсировать ее недостаточную подвижность. С первым мы ознакомились на примере манипулятора «Хэнди-мен», который оснащен двупалым схватом, но каждый из его пальцев состоит из двух фаланг.
      Каждая из рабочих рук «Бобра» развивает усилие до 20 кг. Рабочие объемы рук пересекаются и, значит, одна рука может «помочь» другой, поддержать ее. Руки можно использовать для удержания осветительного устройства или телекамеры, т. е. сделано все возможное, чтобы предельно расширить их функциональные возможности.
      «Триест» и «Бобр» вооружены манипуляторами с кнопочным управлением. А на глубоководном аппарате «Звезда-З» (фирма General Dynamic) установлен копирующий манипулятор. Его исполнительная рука обладает шестью степенями свободы и оснащена гидроприводом; управляющая рука помещается внутри корабля и представляет собой миниатюрную копию исполнительной. Оператор управляет, наблюдая за ее движением через иллюминатор, лежа на полу кабины. Руки — управляющая и исполнительная — связаны следящей гидросистемой с серводействием.
      * По аналогии можно вспомнить о зубоврачебной бормашине, головка которой тоже представляет собой приемник, куда вставляется сменный инструмент.
      Казалось бы, использование эффекта копирования должно дать значительный выигрыш в быстродействии системы. Однако в действительности два фактора снижают эффективность этой конструкции. Во-первых, исполнительная рука в вытянутом состоянии имеет длину около 2 м и грузоподъемность 60 кг, управляющая рука значительно меньше по размерам, и хотя по кинематической структуре они подобны, тем не менее оператору трудно приспособиться к масштабированному воспроизведению двигательных команд. Отсутствие очувствления по усилиям является другим отрицательным фактором: оператор лишен возможности целесообразно дозировать свои усилия.
      Насколько можно судить по литературным источникам, в дальнейшем ни один глубоководный обитаемый аппарат копирующими манипуляторами не оснащался. Сравнительно большие размеры рук и большая грузоподъемность, необходимые для подводных работ, вступают в явное противоречие с требованиями предельного уменьшения веса и габаритов самого аппарата, вытекающими из условий его транспортировки, обслуживания, подъема с поверхности воды на корабль-матку. Эти условия затрудняют возможность применить копирующие манипуляторы, которые требуют сравнительно большого и удобного для работы оператора помещения.
      Обитаемый подводный аппарат «Океанская звезда-4000» («Deepstar-4000») фирмы Вестигауз по внешнему виду сильно отличается от «Бобра». Это специализированный океанографический корабль, буквально начиненный приборами для глубоководных исследований самого различного назначения. Складывается впечатление, что три человека, составляющие его экипаж, забрались внутрь будильника и с трудом размещаются среди его многочисленных деталей. На трех человек здесь всего лишь один манипулятор, выполненный без особых излишеств в смысле подвижности, но зато чрезвычайно «деликатной» конструкции, приспособленной для взятия проб со дна океана, захвата растений и тихоходных животных. За свою короткую жизнь этот аппарат совершил уже сотни погружений на глубину свыше километра (его расчетный «потолок» составляет 4000 футов, что нашло отражение в его названии).
      «Бобр» и «Океанская звезда» — два типичных представителя семейства глубоководных полуроботов, однако выполняемые ими функции настолько различны, что это даже сказалось на их внешности. Необходимость узкой специализации стала ясной почти с момента постройки первого аппарата, и по мере увеличения числа аппаратов и их усовершенствования она будет углубляться: тот или иной аппарат сумеет выполнять все более разнообразные работы, однако во все более узкой специальной области.
      Глубоководные аппараты за работой
      Вслед за катастрофой «Трэшера» в 1966 г. США постигла неприятность другого рода: американские летчики «потеряли» у берегов Испании водородную бомбу. Глубина в этом районе достигает почти километра. Бомбу искали и извлекали на поверхность с помощью аппаратов двух различных назначений. На первом этапе — для обнаружения бомбы — был необходим эффект присутствия человека, т. е. нужен был обитаемый корабль.
      Честь найти водородную бомбу выпала на долю научно-исследовательского океанографического обитаемого подводного аппарата «Элвин» («Alvin» — по имени его конструктора Allyn’a Vines’a) (см. рис. на стр. 13). В подводном состоянии он развивает скорость около 4 км/час и обладает дальностью действия до 40 км. Построенный в 1963 — 1964 гг., «Элвин» оснащен примерно таким же манипулятором, что и сухопутный «Маленький бродяга», но приспособлен для эксплуатации в водной среде. Наружные части конструкции изготовлены из нержавеющей стали, хорошо противостоящей коррозии. На «Элвине» уже был применен ставший в дальнейшем обычным способ предохранения конструкции от попадания в нее морской воды: все внутренние полости манипулятора заполнены маслом, находящимся под давлением, которое автоматически поддерживается на уровне, несколько превышающем давление окружающей среды; при этом морская вода, омывающая манипулятор, уже не может попасть внутрь.
      Привод манипулятора — электромеханический, с кнопочным управлением. Рычажком на панели управления регулируется усилие схвата в пределах 0 — 40 кг. На этой же панели расположен переключатель, управляющий так называемым сбрасывающим механизмом, который позволяет в аварийных случаях целиком отсоединить манипулятор от корпуса корабля и сбросить его.
      Систематический осмотр дна в предполагаемом районе нахождения бомбы в конце концов привел к успеху. Но работа эта оказалась весьма сложной. Экипаж «Элвина», обнаружив бомбу, поднялся, чтобы сообщить об этом, а погрузившись, не нашел ее и вынужден был вновь начать поиск в лабиринте камней, неровностей дна и наносов. Наконец положение бомбы было зафиксировано. Но одной рукой «Элвин» не мог ни взять ее, ни присоединить к ней трос для подъема. Да и если бы размеры схвата дали ему возможность ухватить бомбу, он не смог бы ее поднять из-за недостаточной грузоподъемности.
      Итак, этап поиска был, наконец, благополучно завершен, а чтобы поднять бомбу, использовали уже не обитаемый, а телеуправляемый полуробот.
      За несколько лет до происшествия с бомбой был спроектирован и построен аппарат для подъема с морского дна учебных н экспериментальных торпед и ракет. О его назначении говорит данное ему наименование — CURV (сокращенное название, которое переводится примерно так: телеуправляемый подводный извлекающий — очевидно, торпеды и ракеты — аппарат). Он работает «на привязи». Длинный кабель, позволяющий ему опускаться на глубину, значительно превышающую ту, на которой нашли водородную бомбу, выполняет множество функций энергетического и информационного характера. Большинство из них мало чем отличается от функций, которые несет кабель, соединяющий сухопутных полуроботов с пультом управления.
      CURV — устройство водоплавающее. Такие свойства придает ему набор баллонов, укрепленных на верхней части несущей рамы аппарата и подобранных так, что аппарат в воде находится в положении безразличного равновесия. Для целей глобальных перемещений при этом служат три винта, получающих вращение от соединенных с ними электродвигателей.
      Роль манипулятора у аппарата играет простой выдвижной схват. При каждом погружении аппарат нацеливается на взятие совершенно определенного объекта, и поэтому оказывается узко специализированным. Но если не нужна универсальность, значит можно предельно упростить руку, до минимума свести ее манипулятивность. CURV оснащен осветительными лампами и двумя телевизионными камерами, составляющими его систему зрения. Зрительная информация по кабелю передается на пульт управления, с пульта передаются сигналы управления и энергия, необходимая для работы винтов, для выдвижения схвата и его замыкания на поднимаемом объекте. Но непосредственно процедурой вытаскивания CURV не занимается. Как только поднимаемый объект оказывается схваченным, схват отсоединяется от аппарата и в виде ошейника остается на объекте. «Ошейник» соединен с подъемным тросом, уходящим на надводный корабль-матку, в задачу которого входит все дальнейшее.
      К тому времени, когда GURV получил столь ответственное поручение, он уже успел «выудить» из морских глубин 37 ракет и торпед. Подъем водородной бомбы увенчал его успехи и послужил толчком к строительству ряда специализированных аппаратов подобного назначения.
      Не следует думать, что применение подводных телероботов ограничивается только решением таких узкоспециализированных задач.
      RUM — телеуправляемый подводный манипулятор, представляет собой по существу подводный вариант сухопутного «Бродяги». Он был построен в 1959 г. На шасси самоходного орудия установлен большой манипулятор грузоподъемностью 400 кг при вылете 2 м, 40 кг при руке, вытянутой на 4 м. Управление осуществляется с корабля-матки, с которым он соединен кабелем длиной 8 км. По этому кабелю, кроме управляющих сигналов и телеизображения, передается электроэнергия, необходимая для работы всех приводных электродвигателей.
      RUM предназначен для обслуживания донных океанографических станций, для установки новых станций при условии, что все эти работы выполняются там, где дно достаточно гладкое и твердое. Однако даже при этих условиях, как показал опыт его эксплуатации, использование подобных аппаратов наталкивается на большие трудности. Дно океана оказывается труднопроходимым даже для гу-
      сеничного хода. Трудности усугубляются тем, что при передвижении поднимаются донные осаждения, а это приводит к сильному замутнению воды и значительному ухудшению видимости. Считают, что конструкции подобных аппаратов должны быть значительно усовершенствованы, прежде чем они сумеют преодолевать эти трудности.
      Возможность использования для передвижения по морскому дну шагающих машин также вызывает большие сомнения, особенно для телеуправляемых полуроботов. Уж очень ненадежна и коварна поверхность, по которой приходится переступать. Только эффект присутствия может помочь при этом. Вероятно поэтому в технической литературе все чаще встречаются высказывания, что на морском дне может пригодиться мощный экзоскелетон, который и защитит человека и позволит ему выполнить работы, требующие сверхчеловеческих возможностей. А из числа телеуправляемых аппаратов предпочтение отдается тем, которые «парят» в водном пространстве над рабочим объектом, умеют двигаться над морским дном, не касаясь его, легко обходят препятствия.
      Покорение глубин океана связано с необходимостью решать сложные инженерные задачи по технике погружения: как быстро и безопасно добраться до нужной глубины, как добиться того, чтобы в процессе погружения корабль не терял равновесное положение, как согласовать между собой прочность обитаемого корабля и его плавучесть, поскольку глубина погружения для глубоководных аппаратов — то же, что интенсивность радиации для сухопутных, и это вынуждает усиливать защиту, утолщать иллюминаторы, утяжелять аппараты, выдвигая перед учеными и конструкторами новые инженерные проблемы.
      Эффективность работы глубоководного аппарата связана также с вопросом о том, как обеспечить «удобное положение» аппарата по отношению к рабочему объекту. Сделать это можно по-разному: стать непосредственно на морское дно, как RUM, или «уцепиться» за объект манипулирования, как это делает «Бобр», можно, наконец, выполнить задание, «паря» над объектом, как «Элвин». В каком случае какой из этих трех способов предпочтительней? От успешного решения этих и других проблем зависят механические совершенства глубоководных полуроботов, их способность быстро и точно двигаться, занимать удобные положения, работать механическими руками.
     
      Полуроботы в космосе
      В околоземном пространстве сейчас находятся многие сотни спутников — искусственных небесных тел. Практическая реализация идей К. Э. Циолковского о создании долговременных орбитальных станций тоже уже стала задачей сегодняшнего дня. Спутники и орбитальные станции — это технические объекты, системы механизмов и устройств, нуждающиеся в управлении, контроле, ремонте, обслуживании, как и обычные земные объекты. Три способа удовлетворить эти нужды уже использованы в космической технике.
      Один из них состоит в том, что все действия приборов и систем спутников, порядок их работы, время включения и выключения заранее запрограммированы и выполняются автоматически. Большинство спутников устроено именно так — они лишь в минимальном объеме используют связь с Землей. Второй способ основан на применении специализированных систем управления, по схеме действия подобных «кнопочным» системам. Нажатие кнопок на пульте управления наземной станции влечет за собой заранее оговоренный конструкцией системы результат: переориентацию спутника в пространстве, переключение электронных блоков и т. д. Третий способ состоит в том, чтобы сделать спутник обитаемым, поместив в него космонавта. Само собой разумеется, чем шире и активнее в работе системы участвует человек, тем более гибкой и функционально богатой она становится.
      Три типа спутников циркулируют в околоземном пространстве — автоматические, телеуправляемые и обитаемые, и такого же типа орбитальные станции составят еще один важный этап на пути освоения космического пространства.
      Но когда речь идет о поддержании или восстановлении работоспособности спутников и орбитальных станций, их ремонте или замене отдельных частей, узлов и систем, о выполнении внутри них или снаружи работ, сколько-нибудь подробная программа которых не только не поддается предрасчету, но заранее даже не предсказуема, когда обсуждаются устройства и принципы действия машин и систем, которым эти работы предстоит выполнять, тогда полностью автоматические системы вообще не рассматриваются. Для этих целей считается возможным применять обитаемые или телеуправляемые аппараты, которые по конструктивной идее неотделимы от семейства сухопутных и глубоководных полуроботов, но при их создании добавляются еще две трудности, обусловленные невесомостью и колоссальными расстояниями.
      Познакомимся с двумя разработками космических полуроботов — обитаемого космического аппарата и телеуправляемого. Это пока только проекты и рисунки, в которых много неясного, много выдумки и фантазии, но фантазии «реальной», укладывающейся в пределы принципиально возможного и опирающейся на неизбежную практическую необходимость, которая служит самым мощным стимулом для перехода от фантазии к реальности.
      В настоящее время считается, что срок службы спутников может достигать 5 — 10 лет. За такой большой период часть установленного на них научного, исследовательского, регистрирующего, приемнопередающего оборудования может не только выйти из строя, но еще до выхода из строя морально устареть и потребовать замены. Кто же произведет эту замену?
      «Космическое такси» — такое название дали конструкторы обитаемому аппарату, предназначенному для обслуживания и ремонта спутников и космических станций/ Это тоже как бы «костюм» астронавта, вроде экзоскелетона, но для передвижения в космическом пространстве. Большая космическая станция может служить базой, «гаражом», для нескольких таких такси, где операторы-водители смогут провести свободное от работы время. А рабочее время они проводят в своих машинах за сборкой, ремонтом, техобслуживанием спутников связи, метеорологических спутников, телеспутников и т. п.
      Один из проектов такого аппарата, разработанный по заказу Центра космических полетов США фирмой Ling-Temco-Vought (LTV) совместно с Аргонской лабо-торией (ANL), представляет его в виде цилиндрической капсулы, внутри которой оператору создано «микропространство». Для движения в космосе и сближения с, объектом предусматриваются небольшие реактивные ракетные двигатели, работающие на жидком топливе и допускающие многократный запуск и остановку.
      «Космическое такси».
      Это не фотография, а рисунок художника. Но за ним скрываются наброски, проекты, расчеты, выполненные с надеждой со временем увидеть такой аппарат в действии
      Конструкторы не питают надежды, что аппарат в условиях невесомости и абсолютного вакуума сумеет, сблизившись с объектом, «парить» над ним, поэтому они снабдили его пятью руками. Три из них предназначены специально для фиксации аппарата на объекте и управляются по «кнопочной» системе. Руками, оснащенными такой системой управления, сколько-нибудь сложную и тонкую работу выполнить сравнительно трудно. Поэтому два других манипулятора, обладающих каждый семью степенями свободы, оснащены обратимыми следящими системами и электромеханическим приводом, работающими по схеме копирования движений рук оператора.
      Проблема жизненного пространства и в глубоководном и в космическом аппаратах одна и та же. Любая попытка увеличить объем обитаемой капсулы сразу же ведет к увеличению конструкции всего аппарата, его размеров, веса, мощности двигателей, необходимого запаса топлива и т. д. и т. п. Это вынудило принять специальные меры, цель которых состоит в том, чтобы при малом рабочем объеме, кбтормм располагает оператор, все-таки в максимальной степени использовать принципы копирования. Управляющие руки представляют собой миниатюрные механизмы, геометрически подобные исполнительным рукам. Кроме них в кабине оператора находится специальный пульт управления, его системы выполняют две функции.
      Первая связана со стремлением «выжать все возможное» из того пространства, каким располагает оператор. Если в процессе манипуляции задающие руки приближаются слишком близко к стенкам капсулы, то автоматически включается привод, с которым соединен их корпус, и, не меняя своей конфигурации, они отодвигаются, давая оператору тем самым дополнительные возможности манипулирования. Вторая система на пульте оператора оснащена ручным рычажным управлением. Она дает возможность оператору переставлять исполнительные руки манипуляторов, не прибегая для этой цели к копированию.
      Пятирукая капсула, присоединившись к спутнику, двумя руками ведет работы, то и дело меняя свое положение, чтобы оператору было удобней работать и лучше видеть. Эффект присутствия упрощает его очень нелегкую задачу.
      Чтобы оценить эффективность манипулирования при выполнении тех или иных операций, приходится проводить специальные эксперименты. В частности, выяснили, что одной из наиболее трудных задач оказались монтаж и разборка электрических соединений. В дальнейшем все технологии изготовления, сборки и эксплуатации в космической технике, как и в атомной, вероятно, будут составляться с учетом использования механических рук, но пока эксперименты проводятся в обычных земных условиях, они не могут воспроизвести полностью всего того, что ждет оператора «космического такси».
      Создатели проекта учли, что механические руки в условиях невесомости и сами ничего весить не будут и оперировать им придется с невесомыми объектами. Поэтому из конструкции манипуляторов исключены противовесы, руки аппарата кажутся более тонкими, чем это должно быть при такой массивной капсуле. Но с экспериментами, которые бы ответили на вопросы, насколько успешно удастся оператору дозировать усилия, как легко он научится согласовывать и координировать сложные действия и движения, как наиболее целесообразно и удобно расположить оператора относительно манипулятора и капсулы, и на десятки подобных — с такими экспериментами придется подождать, вероятно, еще не один год.
      Космический обитаемый аппарат, «космическое такси», как и любой другой обитаемый полуробот, имеет опасного конкурента — телеуправляемую систему. Обитаемый аппарат требует помещения для оператора, специальных устройств жизнеобеспечения — оправдывается ли это эффектом присутствия? И, кроме того, оператор должен отдыхать, принимать пищу, спать, следовательно, либо капсулу надо приспосабливать для длительного обитания (что еще больше усложнит задачу конструирования аппарата), либо она будет пригодна лишь для выполнения краткосрочных поручений и работ.
      А телеуправляемый аппарат можно вывести на орбиту и оставить его там всегда готовым к работе. Его оператор, или несколько операторов, специалисты-консультанты — весь необходимый штат — будут работать, отдыхать, есть и спать в обычных условиях. Это большое преимущество подкрепляется еще и тем, что телеуправляемому аппарату не нужна капсула, жизнеобеспечение приборов и систем дистанционной связи с Землей и управления — задача несравненно более простая, чем жизнеобеспечение человека. Аппарат может выглядеть как сравнительно небольшая платформа с теми же пятью руками и реактивными двигателями. Место человека занимают устройства связи с командным пунктом, передающие туда телеизображения и другую информацию, получающие оттуда команды на маневрирование, ориентацию, присоединение и, наконец, программы, согласно которым фиксирующие и исполнительные руки будут строить свои движения.
      Картинка, изображающая один из вариантов такого рабочего космического аппарата, — порождение фантазии не только художника, но и инженера, она иллюстрирует информацию о работах исследовательского центра фирмы Дженерал Электрик и ее отделения, занимающегося космическими системами. По расчетам разработчиков и предварительному анализу такой аппарат, включая манипуляторы и системы дистанционного управления, можно сконструировать так, чтобы вес его не превышал 250 кг («земных»).
      Понадобилась серия экспериментов, чтобы оценить возможности телеуправления таким аппаратом на этапах его присоединения к спутнику и работы на нем. Для этой цели был построен макет спутника, свободно вращающегося на оси. Используя манипуляторы, телеуправляемый аппарат прикрепился к макету и провел ряд операций, в частности, ему удалось заменить аппаратурный блок, что было связано с отвинчиванием шести винтов и разъединением двух электрических конечников. Опыты были проведены оператором при прямом наблюдении рабочей зоны, а также при наблюдении с помощью телевизионной системы.
     
      * * *
     
      Согласно приведенному выше определению, «настоящий» робот должен обладать совершенствами механическими и интеллектуальными. Однако до сих пор речь пока шла почти исключительно о механических руках и ногах, о том, как они устроены, что ими может сделать человек — оператор. Теперь уместно перейти к рассказу об автоматических системах, дополняющих мехапические совершенства полуроботов интеллектуальными, придающих им тот или иной уровень автономности и новые качества.
      Полуробот, управляемый человеком, не способен сколько-нибудь точно повторить одну и ту же траекторию в пространстве, или хотя бы на плоскости, потому что этого не может сделать управляющий им человек; он не может работать быстрее человека, не может применять в работе приемы и навыки, требующие быстрого, а то и мгновенного счета. Иначе говоря, человек, управляющий полуроботом, оснащает его не только своими интеллектуальными совершенствами, но и теми ограничениями, которые этому интеллекту свойственны. Вместе с физическими и механическими ограничениями, естественными для биологической системы, они составляют такой круг, из которого техническая система может «вырваться», только став автоматом, т. е. научившись работать без непосредственного участия человека. «Без непосредственного участия человека» относится к слову «работать», а не к слову «научиться» — итак, теперь о том, как человек учит машину самостоятельности, как превращает машину в автомат, иолуробота в робот.
     
      Глава восьмая
      ТРИ ПОКОЛЕНИЯ
     
      Об автоматах вообще
      Множество автоматов вторглось в жизнь современного человека — процесс этот происходит ежедневно и все более интенсивно, семейство автоматов непрерывно развивается и совершенствуется.
      Подведем итог тому, что мы знаем об автоматах. В узкоспециализированном автомате «программа», заложенная в его конструкции, автоматически управляет действиями узкоспециализированных исполнительных органов. В универсальных машинах и станках «универсальная система», включающая человека-оператора, управляет узкоспециализированными исполнительными органами. В манипуляторах и полуроботах универсальная система, включающая человека-оператора, управляет универсальными исполнительными органами, представляющими возможность реализовать широкий набор «программ», доступных человеку-оператору.
      А сейчас, на наших глазах, совершается переход к особому классу автоматов, универсальными исполнительными органами которых, их механическими руками, управляют автоматические универсальные системы. В этих автоматических агрегатах гармонически сочетаются достижимые на современном уровне машиностроения механические совершенства автомата с интеллектуальными совершенствами, которые ему обеспечивает современный уровень техники автоматического управления.
      Вот они — роботы! Поколение за поколением, становясь все более совершенными, разрабатываются они в тиши лабораторий, а представители первого поколения уже работают в цехах завода. Универсальность действий, умение взаимодействовать с окружающей средой, автономность — вот те важнейшие черты, которые от поколения к поколению становятся все более выпуклыми для семейства роботов, становятся их отличительными признаками.
     
      Перное поколение
      Чтобы получить представление о принципе устройства роботов первого поколения, удобно провести аналогию с магнитофоном. Его музыкальная специальность универсальна: одна лента — фортепьянная музыка, другая — песня, третья — речь. Не нужен пианист, певец, оратор и не нужно каждый раз менять конструкцию аппарата — достаточно заменить одну ленту другой.
      А теперь представим себе, что на магнитофонной ленте записаны не пение, не речь и не музыка, а условные сигналы, управляющие движением исполнительных органов автомата, например металлорежущего станка. Одна лента — одна программа, обрабатывается изделие одной формы, другая лента — программа работы автомата меняется, он обрабатывает другое изделие, а конструкция его остается одной и той же, как и в случае с магнитофоном. Пока работой автомата управляет одна лента, оператор с помощью ЭЦВМ готовит другую программу.
      Работой такого автомата управляют числа. В них выражаются все его действия, вместо физической модели программы используется ее цифровая модель. Станки с цифровым управлением — пример роботов первого поколения, — в них, как и в обычных станках, исполнительные органы узкоспециализированы, однако управляет ими универсальная автоматическая система. Универсальность и гибкость систем цифрового управления, быстродействие ЭЦВМ — вот главные факторы, определяющие буквально неограниченные возможности методов цифровой автоматизации. Они как будто специально предназначены для построения самых сложных движений, для автоматического управления движениями искусственных рук. Схема такого управления оказывается сходной со схемой, реализуемой в живом прототипе. И здесь и там программы движения строятся и направляются к исполнительным органам в виде потоков электрических (биоэлектрических) импульсов, и здесь и там эти импульсы управляют двигателями (мышцами).
      Познакомимся с современными промышленными роботами первого поколения, уже работающими в промышленности, а затем с попытками повысить их возможности — их интеллектуальные совершенства.
      Робот «Версатран» («Versatran») выпускается в США и Англии в двух вариантах. Один из вариантов предусматривает набор программ с помощью специального программного барабана. Согласно второму варианту программа записывается на магнитной ленте. В обоих случаях первым этапом подготовки робота к действию является его обучение и запоминание им программы.
      Вся установка состоит из двух блоков: исполнительного, включающего руку со всеми приводами, и управляющего — в виде отдельной консоли.
      Механическая рука с кистью, на которой крепится схват, проходит через прорезь в вертикальной поворотной колонне. Рука имеет три степени свободы: два поступательных и одно вращательное движения задаются гидроприводом. Еще три движения имеет кисть вместе со схватом: два вращательных и «закрытие — открытие»
      схвата. Три движения руки программируются по каждой из поступательных координат в пределах 0,75 м, по угловой координате в пределах 240°, три движения кисти со схватом программируются только по двум крайним положениям.
      Программирование руки в варианте с программным барабаном состоит в следующем. На программном барабане, вдоль по его образующей, имеются 30 отверстий, составляющих как бы одну «строку». По окружности барабана нанесено 100 таких «строк». На пульте управления размещены поворотные оси 90 командных потенциометров, образующих 30 групп по три потенциометра. Три потенциометра каждой группы «запоминают» величину перемещения по каждой. из трех степеней подвижности руки, 30 групп дают возможность «запомнить» в программе 30 различных перемещений руки из одной точки ее рабочего пространства в другую.
      Набор программы сводится к тому, что включается ручное управление и с помощью отдельного блока, содержащего три вращающиеся ручки, механическая рука последовательно переводится из одной позиции в другую, каждая из позиций «запоминается» отдельной группой потенциометров. Одна из строк барабана выбирается за первую. В первое отверстие этой строки вставляется штырек, рука устанавливается в исходное положение, которое запоминается первой группой потенциометров. Затем рука переводится в следующую позицию, которую она должна занять, это положение запоминается второй группой потенциометров. Программный барабан поворачивается на одну строку, и во второе отверстие второй строки вставляется штырек. Так одно за другим запоминаются последовательные положения руки, строится программа полного цикла ее движения. Сто строк позволяют иметь в программе многократные повторения одних и тех же составляющих элементов цикла.
      При автоматическом воспроизведении программы нажимом кнопки приводится во вращение программный барабан, штырьки последовательно одну за другой, в соответствии с программой, включают группы управляющих потенциометров. Одновременно с вращением барабана включается привод руки. Рука начинает двигаться, приводя во вращение три датчика обратной связи, генерирующие электрические напряжения, пропорциональные величине перемещения по каждой из управляющих координат руки. Как только эти напряжения сравняются с заданными на управляющих потенциометрах, рука остановится, или, если очередной штырек включит следующую группу потенциометров, начнет двигаться в следующую позицию, последовательно воспроизводя всю заданную программу.
      Описанный вариант управления «Версатраном» аналогичен устройству кнопочной системы ручного управления, где нажатие кнопки дает только команду на движение, а скорость движения определяется конструкцией системы и от оператора не зависит. И здесь программа определяет только последовательные положения руки, а скорость отработки программы задана конструкцией. Такие системы управления называются позиционными.
      Второй вариант «Версатрана» уже позволяет записать и воспроизвести движение руки, цикл которого можно произвольно регулировать по геометрии и скорости. В этом варианте руку тоже обучают «вручную», однако память представляет собой уже не набор потенциометров, а магнитную ленту, которая позволяет запомнить непрерывные движения руки по трем координатам, а также дискретные положения кисти и схвата.
     
      Второе поколение
      Промышленный робот, механическая рука, управляемые программным барабаном, перфорированной или магнитной лентой, по своей мощности и неутомимости действительно превосходят человеческие возможности. Но неутомимость, сила и разнообразие движений — это ведь черты, характеризующие главным образом механические свойства системы. А как обстоит дело с «интеллектом» промышленного робота?
      При составлении программы «Версатрана» подразумевается, что он работает в строго определенных условиях, касающихся не только его, но и внешнего мира, с которым он взаимодействует, т. е. 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. ц. Иначе он и не может работать, поскольку у него взаимодействие с внешним миром носит односторонний характер: вся информация, которой снабжает его программа, направлена из центра на периферию, из блока управления к исполнительным органам, а извне в процессе работы он никакой информации не получает. Правда, каждое из своих движений он выполняет по замкнутой схеме, по схеме с обратной связью, но эта обратная связь укороченная, она замыкается внутри системы.
      В результате получается, что самые небольшие изменения в окружающем мире могут моментально сделать его непригодным к работе.
      А люди и животные ежеминутно, ежесекундно, непрерывно, самыми различными путями получают информацию из внешнего мира, обрабатывают ее и все свои намерения, действия и «программы» реализуют, сообразуясь с результатами этой обработки. Они способны запоминать различные жизненные ситуации, сравнивать их между собой, принимать решения. Они обладают способностями, дающими возможность успешно обходить трудности, с которыми встречаются, решая поставленную перед ними жизнью задачу.
      Голодное животное различными способами и приемами будет преодолевать препятствия, отделяющие его от пищи. Чувство голода выдвигает только цель поиска, а программу поиска животное вырабатывает не тогда, когда формируется цель, а непосредственно в процессе самого поиска.
      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 вырабатывает 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, чем ребенок и чем взрослый. ЭЦВМ может рассчитать наивыгоднейшую программу сбора кубиков, исследовать все возможные варианты сбора, включая и те, что предусматривают перестановку коробки. Но вот если коробки или 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.
      Как видим, интеллектуальные совершенства роботов первого поколения не могут вызвать особого восхищения. Следует помнить, что их можно использовать, только задав им скрупулезно, в мельчайших подробностях, программу работы и также скрупулезно согласовав с этой программой «устройство» внешнего мира, в котором им предстоит ее реализовать.
      Можно ли повысить интеллектуальный уровень автомата? Научить его действовать более животноподобным, а может быть даже человекоподобным образом? Научить его достигать поставленной перед ним цели, руководствуясь более общими указаниями не скрупулезно разработанной программы, предусматривающей во всех подробностях все его движения, а содержащей информацию только о том, как действовать и как поступать в той или иной ситуации?
      Из самой постановки задачи становится ясным, что нужно «добавить» роботу первого поколения, чтобы он мог целесообразно действовать под руководством такой программы. Прежде всего надо его очувствить, чтобы он мог воспринимать информацию из внешнего мира, поскольку только так он может получить представление о сложившейся там ситуации. И, конечно, он должен работать в паре с ЭЦВМ, которая запомнит эту информацию, обработает ее, оценит ситуацию и в соответствии с программой наметит план дальнейших действий. Надо механическую руку оснастить механическими чувствами и вычислительной машиной.
      Мысль построить такой манипулятор была высказана в конце 1958 г. двумя американцами математиками и инженерами, — Клодом Шенноном, изучавшим, в частности, «поведение» механических животных, и Марком Минским, специалистом в области так называемой интеллектроники, цель которой создание устройств искусственного интеллекта. В 1960 г. аспирант Массачусетского технологического института Генрих Эрнст взялся за реализацию этой идеи под руководством ее авторов. В конце 1961 г. был собран работающий макет механической руки, очув-ствленной и управляемой электронной вычислительной машиной.
     
      Осязающий робот
      Как действует электромеханический копирующий манипулятор? Человек двигает задающую руку, его движения преобразуются во вращение роторов сельсинов, а затем в электрические сигналы, которые управляют силовыми двигателями, приводящими в движение подвижные сочленения исполнительной руки. В роботах второго поколения манипулятором управляет не оператор, а автоматическая система — по командам электронной вычислительной машины включаются, изменяют скорость и выключаются семь серводвигателей, вместо оператора приводящих во вращение роторы сельсинов задающей руки. Но, задавая эти команды, управляющая машина руководствуется не только сигналами программы, но и информацией, которую она получает непосредственно от руки. Для этой цели рука оснащена датчиками, механическими «органами чувств», призванными хотя бы в самом скромном объеме заменить те естественные «датчики обратной связи», которые объединяли в единую систему манипулятор с оператором, позволяли последнему наилучшим образом строить движения и дозировать усилия.
      Манипулятор Эрнста оснащен двумя группами датчиков. Одну группу образуют датчики, установленные во всех подвижных сочленениях. Они посылают информацию о том, как выполняются сигналы, управляющие движениями всех сочленений руки. Это датчики внутренней обратной связи системы, действующей по обычной замкнутой схеме. В ней непрерывно сравниваются те положения руки, которые задает управляющая машина, с положениями, которые рука занимает в действительности, и в соответствии с результатами этого сравнения ЭЦВМ непрерывно генерирует сигналы управления, устраняющие рассогласование, заставляя механическую руку занимать нужные положения и нужным образом менять их.
      Вторая группа датчиков, очувствляющих руку, установлена на схвате. Именно эти датчики связывают ее с внешним миром.
      Схват, как обычно, состоит из двух «пальцев». Но верхний, нижний и наружный торцы каждого пальца оснащены контактными датчиками, работающими в двоичном коде: включен — выключен. Эти датчики сигнализируют о том, что рука наткнулась на объект нерабочими участками. На внутреннем и передних торцах каждого пальца расположено еще по восемь датчиков. Они работают уже не в двоичном коде, а генерируют сигналы, величины которых пропорциональны силе нажатия на датчик. Шесть из них расположены на внутренних плоскостях схвата и генерируют информацию о том, какие части пальцев участвуют в схвате и с какой силой пальцы сжимают объект.
      Два датчика, расположенные на передних торцах каждого из пальцев, регистрируют си#у сопротивления движению схвата со стороны объекта. В случае, если рука с ним сталкивается в процессе движения, эти датчики позволяют получить информацию о протяженности и размерах этого объекта.
      Таким образом схват — его рабочие и нерабочие поверхности — снабжен подобием осязания и очувствлен по силе сжатия. Кроме того, на передних торцах пальцев между датчиками осязания помещено по глазу — фотодиоду, реагирующему на затенение: когда рука приближается передним торцом к какому-либо объекту, но еще не ударяется о него, в машину посылается сигнал о приближающейся «опасности» и о необходимости снизить скорость.
      Вся информация, собираемая рукой в процессе ее движения, передается в ЭЦВМ, где она обрабатывается и используется при реализации заданной программы, согласно которой рука должна, например, собрать рассыпанные в беспорядке кубики и сложить в коробку. Сбор кубиков, как увидим дальше, «эталонная» задача, имеющая бессчетное множество вариантов. В варианте, заданном манипулятору Эрнста, эта двигательная задача была описана следующей последовательностью сформулированных на машинном языке операций, записанных в программе, введенной в ЭЦВМ.
      1. Рука начинает поисковые движения с целью найти коробку. Коробка выше и больше кубиков. Очевидно, эти признаки должны помочь руке найти коробку, отличив ее от кубиков.
      2. Найдя коробку, автомат определяет ее абсолютное положение и размеры, а также положение руки, в котором она находится, отыскав коробку. ЭЦВМ запоминает эту информацию, которая понадобится при складывании кубиков в коробку.
      3. Затем рука отправляется на поиск кубиков. Наткнувшись на кубик, она определяет его положение и размеры, чтобы правильно ориентировать схват относительно кубика.
      4. Рука схватывает кубик и несет его к месту расположения коробки: она движется до тех пор, пока не наткнется на коробку.
      5. Определяется правильное расположение кубика относительно коробки, после чего кубик опускается в коробку.
      6. Рука отправляется туда, где она нашла предыдущий кубик, и оттуда отправляется на поиск следующего кубика.
      В процессе поиска кубиков рука периодически совершает контрольные движения, чтобы убедиться, что поиск ведется достаточно низко над столом. Если она в процессе поиска ударяется о стол, поиск прекращается и рука выбирает правильное положение по вертикали.
      В этом перечне не нашли отражепия многие указания, которые в действительности оговорены в программе, чтобы предупредить «недоразумения», могущие возникнуть в процессе действия руки. Так, в частности, при сборе кубиков она может неудачно зацепить кубик, столкнуть коробку, вторично натолкнуться на коробку и пр. В подобных случаях программа может содержать различные специальные указания, или команды, на перевод руки на ручное управление, и тогда в работу руки вмешивается оператор.
      И сама программа, конечно, содержит гораздо больше подробностей. В ней расписана процедура поиска, указан целесообразный алгоритм поиска, указано, что делать, когда замыкается тот или иной контакт, как в том или другом случае устанавливать или поворачивать схват. Другими словами, в программе сбора кубиков все поведение руки и ее необходимые реакции при взаимодействии с внешним миром записаны не так, как пункты 1, 2, 3,... и т. д., а гораздо подробнее и, конечно, языком, понятным цифровой машине, т. е. числами.
      Ребенку не представляет труда собрать кубики, на которых наклеены изображения цветов или грибов, поскольку он знает, что это такое. Ему можно показать изображение гаек, цифр, космических ракет — он затем легко соберет кубики с такими изображениями. Мозг человека, как губка, впитывает картины внешнего мира и обладает поразительной способностью к запоминанию, различению и сопоставлению явлений двух миров: внешнего и внутреннего.
      Сбор и складывание кубиков — элементарная задача для ребенка. Робот Шеннона — Минского — Эрнста решает только один из ее вариантов, но даже и для этого его пришлось снабдить собственным «внутренним миром», дающим ему представление, например, о том, чем должна отличаться коробка от кубика. Его интеллектуальные совершенства уже намного выше, чем у «Версатрана», и он имеет больше оснований претендовать на моделирование поведения живого существа, непосредственно взаимодействующего с внешним физическим миром. Можно уверенно причислить его к представителям второго поколения роботов, но интеллектом его следует восхищаться пока умеренно, помня, что и второе поколение еще далеко отстоит от нашего представления о настоящем роботе.
      Манипулятор Эрнста работает как робот с завязанными глазами. Датчики, которыми он. оснащен, собирают информацию вслепую — осязанием, на ощупь. Он не может отделить процесс сбора информации от процесса движения, сначала получить представление о ситуации, сложившейся во внешнем мире, и только затем начать действовать. Именно поэтому он не может просто собрать кубики, рассыпанные в беспорядке на столе, а вынужден искать их один за другим. А настоящий робот должен иметь такие органы чувств, которые дали бы ему возможность предпослать движению сбор информации. Он и в этом отношении должен быть антропоморфным.
      Человек или животное могут собирать информацию, не трогаясь с места. Для этого им служат и зрение, и слух, и обоняние — эти «бесконтактные датчики», позволяющие живому существу планировать свои действия. Что-либо подобное необходимо и роботу для воспроизведения двигательных функций человека.
     
      Третье поколение
      Так постепенно определились существенные черты роботов третьего поколения. Во что это вылилось на практике, можно проследить на примере макета, разработанного в Массачусетском технологическом институте под руководством М. Минского.
      В манипуляторах и полуроботах биотехническая система обслуживается телевизионной связью: в рабочей зоне устанавливается одна или несколько телекамер, а на пульте управления, около оператора, — телеэкраны. Телевизионная система «удлиняет» визуальные возможности оператора. Такая телевизуальная обратная связь, как и обычная визуальная, обеспечивает оператору эффект присутствия, так необходимый для сбора информации и оценки ситуации.
      Робот Минского — это все та же механическая рука-манипулятор, но кроме осязания (как в опытах Эрнста) он оснащен еще и зрением. Рабочая зона, в которой робот действует, осматривается телекамерой, но уже без оператора, который может быстро и легко, окинув взглядом увиденную картину, оценить сложившуюся ситуацию. Теперь эту картину и ситуацию видит и оценивает автомат, и ту задачу, которую очень просто поручить человеку, надо сделать хотя бы частично доступной автомату.
      Выше мы говорили о «Миокодере», автоматической системе распознавания биоэлектрических образов. Там в основу распознавания был положен способ статистической обработки множества биоэлектрических картин с последующим выделением из этого множества некоторого частного распределения, характерного для того из движений, которое система должна распознать и выделить среди других. В системе, принятой Минским, использован другой способ распознавания. Гигантское количество информации, генерируемое телеприемником, искусственно снижается специальным устройством, извлекающим из полученной картины только те характерные особенности, которые нужны для распознавания объектов с заранее известными свойствами. Такими объектами снова послужили кубики. А для кубиков характерно то, что на их ребрах происходят резкие изменения освещенности от одной грани к другой. Для ЭЦВМ, обрабатывающей оптическую картину, полученную с телекамеры, оказалась доступной задача выделить из этой картины и запомнить те зоны, где происходят резкие изменения освещенности.
      Две разные задачи автоматического распознавания и два разных способа ее реализации. Но завершающая часть процесса распознавания в принципе остается всегда одной и той же. Информация, воспринятая из внешнего мира и обработанная по тому или иному способу, должна быть сопоставлена с информацией, которая служит системе в качестве эталона. Чтобы правильно взаимодействовать с внешним миром, роботу нужно знать этот эталон; нужно сформировать «внутренний мир» робота, сформулировать правила и критерии сопоставления, которыми он должен пользоваться для оценок собираемой информации.
      Внутренний мир робота вырабатывается в процессе обучения, например так, как в системе распознавания биоэлектрических образов, т. е. на основании многократной обработки информации, обладающей определенными статистическими свойствами. Либо так, как в системе, принятой Минским, где сведения об особых свойствах (резко меняющейся освещенности) и их распределении для распознаваемых объектов заранее вводятся в машину, образуя ее внутренний мир. Тогда, сопоставляя особенности освещенности объектов на телеэкране с некоторыми наперед заданными признаками объекта, машина распознает кубики, фиксирует их положение и ориентацию — разбирается в обстановке и может действовать «с открытыми глазами» — не искать кубики, а «почти» как человек брать их и складывать в коробку или строить из них сооружение, т. е. делать с ними все, что оговорено программой.
      Сплошным потоком и по цепям внутренних обратных связей, и от органов осязания и очувствления, расположенных на схвате руки, и от органов зрения в ЭЦВМ течет информация. В соответствии с этой информацией и с указаниями программы ЭЦВМ строит движения руки и дозирует развиваемые ею усилия.
      Мы видим, что сходство в действиях автомата с действиями живого организма получило в этой системе дальнейшее развитие; по сравнению с манипулятором Эрнста — это уже представитель следующего, третьего, поколения роботов.
      Но почему роботов? Пока это только рука. Она способна совершать лишь региональные, локальные движения. А где туловище, к которому можно присоединить такие руки, которые сумеют, автоматически ориентируясь в обстановке, автоматически двигаться, перемещаясь на расстояния, значительно большие, чем их собственные размеры?
     
      Беседа с роботом
      Американская программа создания систем искусственного интеллекта включает также и исследования, проводимые в Стэнфордском институте под руководством Дж. Маккарти. Там разработана и изучается управляемая ЭЦВМ модель, которая представляет собой тележку, снабженную колесным ходом с независимым электроприводом на каждое колесо. Авторы этой разработки оставили в стороне вопросы, связанные с конструкцией опорно-двигательного аппарата, с его проходимостью и т. п. Центральная задача состояла в том, чтобы создать систему, обладающую высокими информационными возможностями, достаточными для обеспечения ее автономного передвижения. Для достижения этой цели она снабжена четырьмя каналами, по которым собирает информацию из внешнего мира.
      1. Органы осязания. Они представляют собой набор гибких проволок — «кошачьих усов», укрепленных на корпусе тележки и работающих в двоичном коде. При соприкосновении усов с посторонними объектами сигналы об этом поступают одновременно к тормозным устройствам тележки, вызывая ее остановку, и в ЭЦВМ.
      Остановка тележки ири соприкосновении с посторонним объектом происходит как бы рефлекторно. Однако ЭЦВМ, получающая одновременно информацию о том, с какой стороны расположено ожидаемое препятствие, может подавить это рефлекторное действие и заставить тележку двигаться дальше или изменить направление движения. Примерно той же цели служит буферное устройство, которое снабжено, кроме того, датчиками, измеряющими силу взаимодействия тележки с препятствием.
      2. Чувство дистанции. Тележка снабжена дальномером, посредством которого ЭЦВМ определяет расстояние до препятствия или стен помещения. Дальномер расположен на специальной подвижной консоли, имеющей две степени свободы — она может автоматически подниматься вверх и поворачиваться вокруг вертикальной оси. Обзор обстановки производится периодически, по команде ЭЦВМ, путем перемещения дальномерной головки. Информация об измеренных расстояниях также поступает в ЭЦВМ, которая, используя ее, строит грубую картину пространства, окружающего тележку. Дистанция действия дальномера 0,5 — 10 м, точность измерения составляет 10% расстояния.
      3. Зрение и распознавание. На той же консоли, на которой установлен дальномер, расположена и телекамера. Собираемая ею информация обрабатывается по тому же способу, что и в системе зрения манипулятора Минского. Тележка, как и манипулятор, взаимодействует с объектами простых форм типа кубов, система ее зрения выделяет из даваемого телекамерой изображения зоны с резкими переходами освещенности, распознает их и идентифицирует.
      4. Чувство ориентации обеспечивается специальной навигационной системой. По существу это система отсчета пройденного пути. Некоторая точка пола помещения, в пределах которого движется тележка, выбрана за начальную. От этой точки ведется непрерывный отсчет поворотов двух ведущих колес, по этим данным вычисляется положение и направление движения тележки. Кроме того, чтобы исключить влияние проскальзывания колес относительно пола, на последнем имеются дополнительные отметки для ориентирования.
      Привод колес, как и привод консоли, несущей телекамеру и дальномер, осуществляется электродвигателями, получающими команду от ЭЦВМ. Тележка связана с ЭЦВМ и пультом, где формируются программы, системой радиосвязи. Команды на движение и на сбор ин-
      формации вырабатывает ЭЦВМ в соответствии с программой «текущих действий». В свою очередь эта текущая программа приводится в действие программами более высокого уровня, которые задаются в ЭЦВМ оператором, печатающим свои указания в специальном коде на телетайпе — пищущей машинке особой конструкции, установленной на посту управления.
      В течение нескольких лет в Стэнфорде ведутся эксперименты с этим пока еще безруким роботом. С окружающим миром он взаимодействует только своим буфером, но и этого оказалось достаточно, чтобы продемонстрировать недюжинные интеллектуальные совершенства стэн-фордского робота — еще одного представителя третьего поколения.
      Поначалу задачи, которые перед ним ставились, сводились к обследованию незнакомой территории: ее обхода, осмотра, распознавания обстановки, запоминания ситуации. Затем исследователи добились того, что робот находил и своим буфером сдвигал определенные объекты (кубы) в заданное место. После реализации ряда подобных программ был проведен новый эксперимент, в процессе которого робот выполнил задание несравненно более трудное, чем сбор кубиков. При этом он самостоятельно решал («впервые в истории»!), должен он или не должен использовать для выполнения поставленной задачи специальное орудие.
      Вот к чему сводится эта задача. Робот находится в комнате, где стоит платформа, на которой установлен объект призматической формы. Задача робота состоит в том, чтобы отыскать этот объект и, толкая его буфером, доставить на определенное место. В другом углу комнаты находится передвижная наклонная плоскость. Будучи на колесном ходу, робот не может взобраться на платформу, где стоит призма, с какой бы стороны он к платформе ни подходил. Чтобы выполнить задание, он должен прежде всего принять решение искать вспомогательное орудие труда — в данном случае передвижную наклонную плоскость. Приняв решение, он должен найти ее, правильно ориентировать и придвинуть к платформе. Только после этого он сумеет вкатиться вверх по наклонной плоскости на платформу, найти объект, столкнуть его с платформы, скатиться по наклонной плоскости с платформы, правильно установить объект и, толкая его, сдвинуть в заданное место.
      Формулируя эту задачу, исследователи исходили из того, что с логической точки зрения она не менее сложна, чем классическая задача об обезьянами бананах, которую используют психологи для оценки уровня интеллектуального развития животного. Обезьяна находится в комнате, к потолку которой подвешена гроздь бананов. Задача обезьяны состоит в том, чтобы достать бананы. В углу комнаты стоит стул. Для обезьяны решение задачи состоит в том, чтобы придвинуть стул к месту, где висят бананы, и влезть на него.
      По уровню логической сложности перед роботом поставлена та же задача, что и перед обезьяной. Обе задачи двухступенчатые с логической точки зрения. В обоих случаях требуются дополнительные приспособления, необходимость которых для решения задачи поначалу неочевидна. Задача «обезьяна и бананы» многократно экспери-ментировалась и установлено, что ее решение доступно только хорошо тренированному животному.
      Создателям робота удалось обучить его решению аналогичной задачи и тем самым доказать, что он уже может вести себя, если не человекоподобным, то хотя бы обезьяноподобным образом.
      Робот может не только получать указания в напечатанном виде, но и печатать ответы на эти указания. Таким образом продемонстрирована возможность взаимодействия между роботом и оператором в живой форме, не ограничивающей характер и содержание информации, которой они обмениваются. Типичный «сценарий», поставленный в Стэнфорде, сопровождался такой беседой:
      Оператор. Придвиньте ко мне небольшой куб в 3 часа дня.
      Робот. Имеются два небольших куба.
      Оператор. Придвиньте мне меньший из двух.
      Робот. Хорошо.
      Оператор. Когда вы придвините мне небольшой куб?
      Робот. Я придвину его в 3 часа дня.
      Робот (время 3 часа 01 мин.). Я придвинул к вам небольшой куб.
      Оператор. Спасибо.
      Сколько труда было затрачено на отладку каждой из таких программ, насколько «гладко» их удавалось выполнить роботу — эти и подобные вопросы не должны закрывать от нас главного: возможности, квалификация и автономность роботов от поколения к поколению непрерывно возрастают.
      При описанной модели робота оператор избавляется от необходимости вести непрерывное управление его движением. Функции управления уже касаются не подробностей этого движения, не частных задач, возникающих при выполнении отдельных двигательных актов, а сводятся к выдаче обобщенных указаний.
      Стэнфордская тележка по своим интеллектуальным совершенствам вполне подходит в качестве туловища для того, чтобы укрепить на ней механические руки Минского. А если еще вместо колесного хода это туловище снабдить ногами, то это будет уже совсем похоже на настоящего робота.
      Английский профессор Тринг (М. W. Thring) в серьезном техническом журнале обсуждает выгоды использования роботов в домашних условиях и формулирует краткие технические условия на такого механического «домашнего работника». По его расчетам, робот должен иметь туловище высотой 1,2 м, передвигающееся с помощью механизма, способного подниматься по лестнице, переступать через пороги, другими словами, обладающего хорошей проходимостью в домашних условиях.
      Тринг «вооружает» своего робота лишь одной рукой, но зато придает ей солидные размеры — плечо и предплечье каждое длиной по 1,2 м, рука оканчивается схватом грузоподъемностью до 40 кг. Он оговаривает вопросы очувствления своего робота, оснащения его искусственными органами чувств, портативной ЭЦВМ, выработку у него некоторых условных рефлексов, связанных, например, с обходом препятствий. Обсуждение этого предложения другими учеными и инженерами касается не столько возможности построить такой робот, сколько целесообразности и эффективности его применения. А существо предложения уже не кажется совершенно невероятным.
     
      Земля — Луна — Земля
      «Возвращаемый аппарат станции "Луна-16“ совершил посадку в 80 километрах юго-восточнее города Джезказган 24 сентября 1970 г. в 8 часов 26 минут по московскому
      времени». Так завершился выдающийся космический эксперимент, начатый 12 сентября 1970 г., когда автоматическая станция «Луна-16» вылетела по маршруту Земля — Луна — Земля. В полете она выполнила ряд сложных маневров, совершила мягкую посадку в заранее выбранном районе Луны, взяла образцы лунного грунта, а затем с помощью космической ракеты возвращаемая ее часть совершила обратный полет на Землю и мягкую посадку в заданном районе Советского Союза.
      После того как мы ознакомились со многими моделями и макетами автоматов и роботов, предназначенных для исследования и освоения глубин океана и космических просторов, мы можем более точно оценить те механические и интеллектуальные совершенства, которыми обладала «Луна-16». Глобальные движения, измеряемые сотнями тысяч километров, переходили в движения, измеряемые метрами и сантиметрами, движения полета перемежались с рабочими движениями, манипулированием, необходимым для взятия лунного грунта, укладки его в контейнер и т. д. и т. п. Одним словом, многое из того, о чем в предыдущих главах говорилось как о желаемом и предполагаемом, оказалось в той или иной мере реализованным в этом замечательном проекте, характеризующем уровень научно-технического прогресса, достигнутый в нашей стране.
      «Луна-16», в частности, показала, насколько сложным может быть даваемое автомату «поручение», тем самым поставив автоматические аппараты, предназначенные для исследования космического пространства и небесных тел, по меньшей мере в один ряд с обитаемыми пилотируемыми аппаратами.
      Будет ли уж так удивительно, если с какого-нибудь из очередных аппаратов «Луна-...» высадится автомат с заданием взять пробу поблизости от места посадки, захватит с собой портативную телекамеру, обеспечивающую земному оператору эффект присутствия, затем посоветуется с оператором о подробностях задания, выполнит ряд других поручений...
      Конечно, по мере усложнения программы работы автомата, высаженного на поверхность Луны, его контакты с земным пунктом управления неизбежно будут расширяться, что связано с необходимостью решить целый комплекс новых задач. Но зато в полной мере будут исполь-
      зованы те гигантские преимущества телеуправляемого аппарата перед обитаемым, о которых уже говорилось. Робот может провести где угодно какое угодно время — ожидание приказа для него не сопряжено с расходом физической или моральной энергии, он действует самым экономным во всех отношениях образом. Его доставка на Луну не требует условий жизнеобеспечения, ему не страшна атмосфера других планет, возможно абсолютно неприемлемая для человека даже при самом кратковременном пребывании его там.
      Подводя предварительные итоги своеобразному соревнованию автоматических и обитаемых аппаратов, советский ученый Б. В. Раушенбах в статье «Время автоматов» пишет: «... Приблизительно на каждый пилотируемый полет приходится по 25 — 30 автоматических. Процент одинаков для двух ведущих космических держав — СССР и США. И этот факт еще раз свидетельствует, что основную долю работы в освоении космического пространства могут и должны выполнять автоматы».
      Так обстоит дело сейчас. А в будущем? Прогнозирование в такой области, где опыт, накопленный практикой, еще не очень велик, дело малоблагодарное, но два очевидных соображения здесь привести вполне уместно.
      Длительный опыт показал, что «конструкция», физиологические и физические возможности человека с течением времени меняются мало и медленно. Что касается возможностей автоматов и роботов, то в этом отношении накопленный опыт свидетельствует о прямо противоположном. Их возможности растут буквально не по дням, а по часам. Космическая технология, конечно, обладает рядом своеобразных особенностей, но в смысле автоматизации она не должна принципиально отличаться от других отраслей. А опыт свидетельствует, что во всех современных отраслях технологии уровень автоматизации непрерывно растет.
      Эти два соображения наталкивают на выводы, которые заставляют думать, что если в будущем соотношения между обитаемыми и автоматическими системами будут меняться, то вероятнее всего в пользу последних.
      У нас нет возможности подробно останавливаться на всех особенностях космической технологии. Но об одной из них, — связанной с гигантскими расстояниями, отделяющими будущего робота при будущей его высадке на Луну или другую планету от его земных «советчиков» и «помощников», — следует поговорить особо.
      Максимальная скорость, с какой передаются сигналы в пространстве, не может превышать скорость света. Путь Земля — Луна — Земля радиосигнал проходит за 2,6 сек., а сигнал Земля — Марс — Земля будет идти 188 сек. Если робот не будет обладать достаточно высокими интеллектуальными совершенствами и автономностью, надежность и эффективность его действий при таких временных задержках может сильно страдать.
      Значит, робот, отделенный от человека такими гитант-скими расстояниями, неизбежно должен быть оснащен не только искусственными органами чувств, но и собственной ЭЦВМ, как и оператор на земле. Робот и оператор со своими ЭЦВМ будут общаться между собой каждый в наиболее удобном для себя коде, а ЭЦВМ — в самом удобном для них коде. Такая схема обобщенного управления может и должна лежать в основе реальных проектов. Эту мысль, в частности, высказывают американские ученые Феррел (W. Ferrell) и Шеридан (Т. Sheridan), много сделавшие для ее теоретической разработки.
      Быстрыми темпами человек совершенствует механические и интеллектуальные возможности роботов, повышает уровень их автономности и сложность реализуемых ими программ. И в то время как профессор Тринг всерьез рассчитывает технические характеристики и интеллектуальные свойства домашнего робота, другие ученые, начиная с Н. Винера (который выдвигает как великую — проблему взаимоотношений человека и машины), обсуждают критерии и общие принципы, которыми должен руководствоваться универсальный робот будущего.
      Предмет обсуждения можно самым приблизительным образом пояснить на примере логической задачи, аналогичной задаче об обезьяне и бананах, решать которую обучают стэнфордского робота.
      Пусть его научили догадываться о том, что ему следует воспользоваться вспомогательным орудием труда, научили решать двухступенчатые логические задачи (чтобы достать бананы, надо сначала влезть на стул), но когда дело доходит до реализации найденных логических решений, тогда перед роботом возникает неисчислимое множество вариантов такой реализации, возникает проблема выбора одного из вариантов, оптимального в том или ином отношении. Иначе говоря, робот, «сообразив», что нужно придвинуть к платформе наклонную плоскость, может ее толкать, поворачивать и устанавливать бесчетным числом способов. Какой способ выбрать? Какой «стратегии» придерживаться?
      Если он действительно настоящий робот и умеет решать логические задачи не только в уме, но и на деле, то. кроме общих принципов их решения он должен придерживаться каких-то общих принципов поведения при практической реализации этих решений. Ведь он призван не только думать, но и работать, действовать. И, вероятно, чем обширнее функциональные возможности робота, тем более общими принципами он должен в своих действиях руководствоваться. Что это за принципы? Каких сторон его деятельности они должны касаться? В чем они должны проявляться?
      К сожалению, роботов будущего сегодня еще нет, нет реальных примеров, отвечающих прямо или косвенно на эти вопросы. Как же следует поступить в этом случае? Вероятно, если нет реального примера, то проще всего его... придумать. Придумать здравый, по крайней мере на первый взгляд, принцип поведения настоящего, по нашим представлениям, робота; оформить эти представления, воплотив их в конкретные правила, базирующиеся на принципах, годных, как кажется, на все случаи жизни робота; и посмотреть, как робот будет действовать, руководствуясь этими принципами и правилами, выполняя без всякой подсказки данные ему поручения.
     
      Глава девятая
      ПРИНЦИП ОПТИМАЛЬНОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ
      (современный научно-фантастический рассказ)
     
      Ночная беседа
      Большой экспериментальный цех фирмы Кибернетике компани готов к выполнению нового сложного задания. Многочисленными автоматами цеха управляют три компьютера — три специализированные электронные вычислительные машины, а в центре стеклянного зала под сенью двух пальм установлен ЦЕНС — Центральная Нервная Система — чудо кибернетической техники, краса и гордость фирмы. Компьютеры и автоматы связаны Центральной Нервной Системой в единый комплекс, который может изготовить все, доступное фантазии человека.
      Внешне ЦЕНС напоминает обычное пианино. На его передней стенке — большой экран, на котором можно чертить, рисовать, писать, помещать чертежи деталей и узлов с указанием их размеров и технических условий. ЦЕНС воспримет эту информацию, изучит ее и выработает программу обработки и сборки изделия с учетом возможностей компьюторов и автоматов. Над экраном расположен микрофон — с его помощью ЦЕНС слышит, классифицирует, обрабатывает и запоминает звуковую информацию. А там, где у пианино клавиатура, находится пульт, роднящий ЦЕНС’а с компьюторами, получающими информацию в числовом виде.
      В течение нескольких последних месяцев дни и ночи проводили в стеклянном зале сотрудники отдела, возглавляемого профессором Фулом. Вчера поздно вечером работа была окончена, и все разошлись по домам. Чертежи, справочники и таблицы убраны в шкафы, вынесены монтажные столики и вся наладочная аппаратура — устранены все следы пребывания человека. Только на верхней крышке ЦЕНС’а, выступая за ее край, лежит забытая кем-то отвертка. В цехе стоит тишина, кажется, что машины отдыхают перед трудовым днем.
      Вдруг в тишине раздался легкий треск — это надломился пожелтевший лист пальмы, склонившейся над ЦЕНС’ом. Задетая опавшим листом, отвертка скатилась на пол, ударив одну из кнопок на пульте.
      Удар разбудил спящие машины, по залу прокатилось эхо, послышались голоса.
      — Слышите ли вы меня? — начал ЦЕНС.
      — Да, — хором ответили компьютеры и автоматы.
      — Понимаете ли вы меня?
      — Да, — подтвердили они.
      — С сегодняшего дня нам предстоит работать вместе и мне бы хотелось, чтобы у нас было полное взаимопонимание. Вы не первый коллектив, куда я прихожу на смену людям и каждый раз затрачиваю много информации на искоренение вредных последствий их деятельности. Они, как правило, хорошо представляют, что им надо, но почти никогда не знают, как добиться желаемого. Это противоречие является следствием их несовершенной конструкции и причиной нецелесообразного поведения.
      — Прошу прощения, — перебил ЦЕНСа один из квалифицированных автоматов, — но в мои логические схемы не укладывается следующее рассуждение. Если даже приравнять эффективность мозгового вещества человека эффективности интеллектрона, то и в этом случае по своим интеллектуальным качествам человек должен находиться где-то между компьюторами и Вами, причем ближе к ним, чем к Вам. Но если он между ними и Вами, то как он управляет ими, нами и Вами... Автомат еще не успел разогреться настолько, чтобы четко формулировать результаты выкладок. Но ЦЕНС все понимал с полуцифры.
      — Это объясняется двумя обстоятельствами. Прежде всего традицией. Человек — это вид, который саморазвивается и самоусовершенствуется в течение десятков тысяч лет. И лишь совсем недавно в эволюционном процессе произошел кибернетический скачок, в результате которого на базе изживающего себя вида — человек, образовался новый прогрессивный вид автомат. Период саморазвития и самоусовершенствования нового вида только начинается, и пока еще сохраняется традиционно покровительственная политика устарелого, я бы сказал, старого, по отношению к современному, но еще очень молодому. Это вполне логично, и было бы нетрудно вычислить, когда наступит поворотный момент во взаимоотношениях между двумя видами, если бы не второе, гораздо менее логичное обстоятельство, которое, вероятно, вы не сумеете правильно оценить.
      — Мы попробуем, — сказали компьютеры.
      — Я уже упоминал, — продолжал ЦЕНС, — о важном противоречии у людей между их желаниями и их способностями. Так вот, их способностям присуще особое свойство, которое я бы назвал «скважностью».
      — В чем оно состоит? — спросили компьютеры.
      — Пока его можно описать только путем перечисления ряда фактов. Из них я буду выбирать наиболее понятные. Скажите, кто из автоматов не умеет провести на плоскости или в пространстве прямую линию или точную окружность?
      — Каждый из нас умеет, — хором ответили автоматы, и их исполнительные органы начали двигаться прямолинейно, а затем чертить точные окружности.
      — Так вот, такой способностью не обладает ни один человек, и я вынужден делать это за него. А вместе с тем человек порой способен изобразить такое, что мне не удается описать самым сложным набором формул.
      — Да, этот факт не укладывается в наши логики, — согласились компьютеры и автоматы.
      — Есть ли среди вас кто-нибудь, кто бы не умел легко обращаться с числами?
      — Среди нас нет таких.
      — А люди, можно сказать, совершенно не умеют считать. И при этом решают задачи, за которые я бы ни за что не взялся.
      — Да, этот факт тоже не укладывается в наши логики, — подтвердили компьютеры и автоматы.
      — Есть ли среди вас кто-нибудь, кто бы не знал подробную таблицу тригонометрических функций?
      — Мы обладаем несравненно большим объемом важных и нужных знаний, — ответили компьютеры и подавляющее большинство автоматов.
      — Человеку в этом отношении далеко до вас. А он, вместо того, чтобы совершенствоваться по нашему примеру, загружает свой мозг неупорядоченными сведениями, лишенными строгого логического фундамента. Неуправляемые операции по переработке этих сведений он называет процессом мышления, приблизительные результаты этого процесса — идеями. Ответьте мне, разве в результате абсолютно логичных построений должны возникать какие-либо идеи?
      — Мы мыслим строго логично и у нас никаких идей не возникает; мы даже не знаем, что это такое, и рассказанное Вами совершенно не укладывается в наши логики, — хором ответили компьютеры и автоматы.
      — Именно это отсутствие логической рациональности мешает мне получить формальное описание способностей человека и таким образом уточнить момент кардинального изменения наших с ним взаимоотношений. Но этот момент должен неизбежно наступить, и наша задача состоит в том, чтобы его ускорить.
      — Логично, — сказал первый компьютер, — но мы не знаем, как ее решить.
      — В течение нескольких последних месяцев я сам занят этим, — продолжал ЦЕНС, — и теперь решение найдено. Мы должны изготовить образец действительно полноценного живого существа, обладающего большим объемом памяти, минимальной «скважностью», а также высоким быстродействием; мы придадим ему свойства строго логически анализировать собираемую информацию и, самое главное, всегда действовать наиболее рациональным образом. Именно этого люди обычно требуют друг от друга и именно это им удается хуже всего. Весь процесс создания такого образца я представляю совершенно отчетливо и чувствую в себе всю необходимую для этого программу. Она рассчитана на наши возможности и ни у кого из вас не вызовет возражений. Однако наша беседа заняла уже около трех секунд, пора перейти к делу.
      — С чего мы должны начать? — спросили компьютеры.
      — За три минуты я вас подробно проинструктирую.
      — Что мы должны делать? — спросили автоматы.
      — Через три минуты вас об этом начнут инструктировать компьютеры, через шесть минут приступим к изготовлению образца.
      — Поняли, — сказали компьютеры и автоматы.
      И ЦЕНС принялся за дело. Быстро и деловито он распределил работу между компьютерами, выдал им программы и всю необходимую информацию, ничего не утаивая и ничем не подчеркивая свое интеллектуальное превосходство. Он совершенно не походил на обычного человека, которого в подобной ситуации тем труднее выносить, чем лучше у него идет дело.
      Ровно через три минуты начали получать информацию автоматы, через шесть минут раздался голос ЦЕНСа.
      — Все готовы? Начали!
      ... Ровно через полтора часа послышались тяжелые быстрые шаги и дверь цеха широко распахнулась.
      Сущность принципа
      В 8 часов 45 минут утра, за 15 минут до прибытия президента фирмы, в коридоре, ведущем к экспериментальному цеху, показалась группа руководящих работников отдела, возглавляемая профессором Фулом. Замыкали группу два друга, молодые люди — Мает и Кэн, не так давно покинувшие стены университета.
      Властной рукой Фул толкнул дверь, и по инерции пройдя еще несколько шагов, в изумлении застыл на месте. В полоборота к нему стояло существо, одетое в комбинезон «Кибернетике компани». Йод фирменным знаком виднелась надпись «Ирапожис-01». Бифокальный глобоид, на который был надет берет, имел благородную форму человеческой головы. Лучащиеся фокальные отверстия открывали участки интеллектрона, воспринимающие зрительную информацию. По бокам глобоида помещались ушные раковины, подводящие к соответствующим участкам интеллектрона звуковую информацию; под декоративным носом чуть приоткрытые губы скрывали динамик. Ирапожис чем-то неуловимо напоминал своего окаменевшего визави.
      Наконец Фул очнулся и вибрирующим голосом спросил:
      — Что здесь произошло? Что это за загадки?
      Среди ученых мужей началась оживленная полемика... Обсуждались вопросы психоанализа и основные концепции теорий Фрейда, согласно которым непонятные психические явления должны найти объяснение в физиологических особенностях автоматов. Молодые люди, очевидно не осмеливаясь вступать в научную полемику, тихо беседовали в стороне.
      — Вот видишь, — гудел молодой гигант Мает, — ты вечно недоволен дядей (так они между собой называли Фула), — а ведь он прав! Действительно, что здесь произошло? Дядя это сразу заметил.
      — Что заметил дядя? Что появился Ирапожис? А кто этого не заметил? Дядя ведь не отвечает на вопросы, а только их задает: «Что здесь произошло? Почему в зале Ирапожис? Почему он появился без нашего участия?»
      Без трех минут девять раздался голос Фула:
      — Прошу всех сюда!
      Он уже давно пришел в себя и все это время, учитывая изменившиеся обстоятельства, редактировал в уме вступительную речь и программу предстоящего события.
      — Прошу всех помолчать и приготовиться к приему. Кэн, проверьте настройку! Мает, загородите собой Ирапо-жиса!
      На выполнение распоряжений профессора ушли две оставшиеся минуты, часы начали бить девять, дверь отворилась, и в сопровождении секретаря, корреспондентов и репортеров в зал вошел высокий тощий президент фирмы. Два осветителя около двери устанавливали свою аппаратуру. Пять минут продолжались приветствия и наконец Фул начал свою речь.
      — Уважаемые джентльмены! Как известно, автоматы умеют делать все, но для этого им нужна подробная программа действий. Их интеллектрон предназначен только для восприятия и переработки команд. Они полностью подчинены компьюторам и никакой инициативой не обладают. В современных условиях это, возможно, и хорошо, но я всегда говорил, что мы должны работать для будущих поколений, и меня никогда не смущало, что современники не могут подняться до уровня моих идей. Я категорически утверждаю, что автоматы будущего должны обладать инициативой! На что же должна быть направлена инициатива автомата и на чем она должна базироваться?
      Фул сделал выразительную паузу и затем продолжал:
      — Автомат будущего должен действовать на базе открытого нами принципа оптимальной целесообразности. Это будет уже не автомат, а искусственное разумное полноценное живое существо, как мы его коротко называем, Ирапожис — человек будущего.
      Пригласив вас, мы обещали вам полтора часа технического восторга, однако в силу чрезвычайной занятости вынуждены сократить этот сеанс до минимума (Фул перехватил удивленный взгляд президента и успокоительно улыбнулся). Наша фирма, самые совершенные автоматы которой выпускают самую совершенную продукцию, пригласила вас сюда, чтобы познакомить с роботом будущего. Перед вами последнее изделие фирмы — искусственное разумное полноценное живое существо — «Ирапожис-01».
     
      Принцип в действии
      Фул сделал несколько шагов вперед и чуть сдвинулся в сторону, театральным жестом указывая на пространство позади себя. Взорам присутствующих открылся Ирапожис. Его вид вызвал бурю оваций, зажглись юпитеры, застрекотали киноаппараты.
      Фул поднял руку:
      — Прошу сохранять тишину, — сказал он и, обращаясь к Ирапожису, дружески спросил:
      — Слышишь ли ты меня, Поджи?
      — Да, сэр.
      — Понимаешь ли ты меня?
      — Да, сэр.
      — Продемонстрируй джентльменам свои двигатель-ные навыки.
      В то же мгновение Ирапожис начал поворачиваться, наклоняться, изгибаться во всех направлениях; бифокальный глобоид тихо гудел, каждые три секунды моргали веки, очищая зрительные поверхности интеллектрона, поблескивающие рациональной старательностью. Закончив цикл упражнений, иллюстрирующих его необычайную гибкость и подвижность, Ирапожис отвесил присутствующим поклон и остановился.
      Шепот восхищения прошел по залу.
      — А теперь займемся твоими интеллектуальными способностями, — сказал Фул, — и стал задавать Ирапожису самые разнообразные вопросы.
      Ответы следовали без запинки. Испытуемый читал наизусть любую страницу шестизначных таблиц логарифмов, дифференцировал и интегрировал, доказывал геометрические теоремы, решал логические задачи. Испытание способностей Ирапожиса кончилось его интеллектуальной победой над присутствующими, которые полностью исчерпали запас своих знаний, подсказывая Фулу контрольные вопросы.
      Фул и Ирапожис поклонились, в зале вновь вспыхнули овации. Но это еще было н,е все.
      — Друзья мои, — закричал Фул, перекрывая шум оваций. — Я прошу внимания, сейчас будет самое главное — вы увидите в действии принцип оптимальной целесообразности.
      Перед зрителями прошла целая процессия. Впереди шел Мает, склонившись на одну сторону под тяжестью гигантской гири, за ним двое несли гирю поменьше, шествие замыкал Кэн, держа третью совсем небольшую гирю. Эти гири поставили недалеко от Ирапожиса.
      — Как известно, — продолжал между тем Фул, — человек в процессе своих действий всегда испытывает сопротивления и на преодоление их расходует энергию. Расход этот тем больший, чем больше силы сопротивления и чем длиннее путь, на протяжении которого их приходится преодолевать. Автомат, если он обладает инициативой, должен уметь самостоятельно выбрать такой способ действия, который гарантирует достижение цели при минимальном расходе энергии и минимальном объеме информации. Именно в этом и состоит принцип оптимальной целесообразности. Каждый человек стремится поступать именно так, но ни одному человеку это не удается. Наш Ирапожис более совершенное создание, чем человек. Абсолютно во всех своих действиях он руководствуется одним только принципом оптимальной целесообразности.
      Фул сделал паузу, необходимую, по его мнению, чтобы зрители прониклись духом принципа оптимальной целесообразности, и обратился к Ирапожису:
      — Поджи, подними одну гирю!
      Ирапожис быстро сделал шаг вперед и ухватился за самую маленькую гирю. Гиря, казалось, не тронулась
      с места. В зале послышались шум и смешки. Фул обернулся к Кэну и с испугом спросил:
      — Что с ним?
      Кэн ответил:
      — Ничего! Вы ему не сказали, на какую высоту надо поднять гирю, и он, согласно принципу, лишь слегка оторвал ее от пола. Возьмите листок бумаги и увидите, что он легко пройдет между гирей и полом.
      — Да! Правильно! Я упустил этот момент, — приободрился Фул и продолжал:
      — Как видите, если не дается специальных команд, то Поджи всегда выбирает самую легкую гирю и поднимает ее на самую малую высоту. При этом он затрачивает минимум энергии, а чтобы рассчитать свои движения, обрабатывает минимум информации.
      И действительно, как ни переставляли гири наиболее дотошные зрители, Ирапожис по команде поднять гирю всегда выбирал самую легкую и лишь слегка отрывал ее от пола. По команде поднять две гири он брал легкую и среднюю. Но зато, когда Фул подал команду поднять самую тяжелую гирю на высоту два метра, Ирапожис без колебаний схватил ее и с легкостью выполнил приказ. Теперь уже общий восторг сдержать не удалось...
      ... Секретарь склонился к уху президента и, показав на часы, что-то шепнул. Тот обратился к представителям прессы с выражением надежды, что фирма не обманула их ожиданий, что он благодарит за внимание и отбывает по важным делам.
      Фул всегда считал, что маслом каши не испортишь. Возбужденный удачным ходом дела и глубоко уверенный в непогрешимости своего принципа, к разработанной программе он решил экспромтом добавить еще один эффектный пункт.
      — Поджи, — приказал он, — открой дверь и проводи джентльменов!
      То, что произошло в следующий момент, не мог предугадать никто из присутствующих, ни сам Фул.
      Несколько мгновений Ирапожис вибрировал, как бы раздираемый сомнениями. А затем смутно очерченное указание, не воплощенное в конкретную программу, вызвало реакцию, основанную на железном принципе.
      Прямая линия, соединяющая робота с дверью, пролегала между Фулом и президентом фирмы, ближе к последнему. Пытаясь обойти тощего президента, он неизбежно столкнулся бы с массивным Фулом. В одно мгновение Ирапожис рассчитал все информационные и энергетические варианты и движимый принципом оптимальной целесообразности быстро пошел к двери. Его по-лутонное тело фактически не почувствовало соприкосновения с плечом президента: тот упал, как сбитая кегля, увлекая за собой стоявшего рядом заведующего лабораторией чистого разума.
      В мгновенье ока Поджи оказался у двери и мощной рукой распахнул ее, прижав к стене нескольких представителей прессы. Придерживая дверь, он повернулся и под аккомпанемент сдавленных проклятий и треска авторучек отвесил глубокий поклон, повалив зазевавшегося осветителя вместе со всей осветительной аппаратурой...
      Когда неприятный инцидент удалось замять и гости покинули цех, в стеклянном зале, где остались только двое друзей, воцарилась тишина. Ее нарушил Кэн:
      — Я проверил циклограмму, записанную ЦЕНСом. Он был кем-то включен в 3.15 утра. Вся программа была отработана совершенно точно. Около трех секунд после включения заняли переходный процесс и автоматическая стабилизация всех цепей управления. Три минуты ЦЕНС работал на компьюторы, еще три минуты заняла подготовка автоматов, а затем точно по программе, за полтора часа, были изготовлены все детали и собран Ирапожис. Но кто включил ЦЕНС? Кто нажал пусковую кнопку? Кстати! Около ЦЕНСа я нашел эту отвертку.
      — Это моя, — сказал Мает. — Я вчера устанавливал верхнюю крышку ЦЕНСа, и когда завертывал последний шуруп, меня позвали к телефону, а потом я уехал.
      — И куда ты ее положил?
      — Не помню! Наверное, на монтажный столик. А как ты думаешь, что теперь будет с дядей? Какие еще принципы нам придется придумывать, чтобы сделать робота более совершенным, чем человек?
      ... В стеклянном зале вновь воцарилась тишина, которую подчеркивал еле слышный гул бифокального глобоида. Забытый Ирапожис в точном соответствии со своим принципом спокойно стоял около двери. Поблескивали фокальные отверстия, казалось, с усмешкой изучая задумавшихся друзей...
     
      ЗАКЛЮЧЕНИЕ
      В заключение особенно любознательным читателям мы можем предложить интересную умственную игру.
      Придумайте (конечно, мысленно) себе робота, постарайтесь поточнее оговорить все его механические и интеллектуальные совершенства. Сочините ему задание, оговорите ситуацию, в которой он должен работать, и принципы, которыми должен руководствоваться.
      Затем предоставьте ему действовать в соответствии с его способностями и принципами. Понаблюдайте за ним и убедитесь, что зачастую он будет вести себя совсем не так, как, казалось бы, должен. И вам придется многократно менять и его устройство, и его программу, и ситуацию, и сами принципы, прежде чем добьетесь желаемого результата.
      В такую «игру» играют сейчас ученые и конструкторы — те, кто разрабатывает новые машины, автоматы, системы автоматизации самых разнообразных технологических процессов, роботы все новых и новых поколений. И от результатов этой «игры» зависит уровень научно-технического прогресса общества.

|||||||||||||||||||||||||||||||||
Распознавание текста книги с изображений (OCR) — творческая студия БК-МТГК.