ПРИКЛАДНЫЕ ОБЛАСТИ
• Промышленность и сельское хозяйство. Роботы издавна предназначались для использования в тех областях, где требуется тяжелый труд, но трудовые процессы достаточно структурированы, чтобы допускать возможность робототех-нической автоматизации. Самым удачным примером может служить сборочная линия, на которой манипуляторы уже давно выполняют такие задачи, как сборка, установка деталей, доставка материалов, сварка и окраска. При решении многих из этих задач роботы оказались более экономически эффективными по сравнению с работниками-людьми.
Для использования на открытых площадках конструктивное исполнение в виде роботов получили многие из тяжелых машин, которые применяются для сбора урожая, подземной проходки или рытья котлованов. Например, в университете Carnegie—Mellon недавно был завершен проект, который показал, что роботы могут использоваться для очистки от старой краски корпусов крупных судов, причем выполняют эту операцию в 50 раз быстрее, чем люди, и оказывают гораздо меньшее вредное воздействие на окружающую среду. Кроме того, было показано, что прототипы автономных роботов-проходчиков работают быстрее и точнее, чем люди, при выполнении задач по транспортировке руды в подземных шахтах. Роботы использовались дня составления карт заброшенных шахт и канализационных систем с высокой точностью. Хотя проекты многих из этих систем все еще находятся на этапе разработки их прототипов, наступление той эпохи, когда роботы возьмут на себя основную часть полумеханической работы, которая в настоящее время выполняется людьми, — лишь вопрос времени.
• Транспортировка. Области применения робототехнических систем транспортировки являются весьма разнообразными, начиная от автономных вертолетов, которые доставляют объекты в те места, доступ к которым трудно получить иными способами, и заканчивая автоматическими инвалидными колясками, которые перевозят людей, не способных самостоятельно управлять этими колясками, или автономными портальными погрузчиками, которые превосходят самых опытных крановщиков по точности доставки контейнеров с судов на автомобили в грузовых доках. Одним из самых наглядных примеров успешно действующих транспортных роботов, предназначенных для работы внутри помещения, называемых также гоферами (gofer — мальчик на побегушках), является робот Helpmate, показанный на рис. 25.22, а. Такие роботы применяются в десятках больниц для транспортировки пищи и других медицинских материалов. Исследователи разработали робототехнические системы, напоминающие автомобили, которые способны автономно передвигаться по автомагистралям или по бездорожью. В условиях промышленных предприятий автономные транспортные средства в настоящее время стали одним из обычных средств доставки материалов на складах и производственных линиях.
Для эксплуатации многих из этих роботов требуется внести в среду их применения определенные модификации. К числу наиболее распространенных модификаций относятся средства локализации, такие как индуктивные контуры в полу, активные маяки, метки в виде штрих-кода и спутники системы GPS. Поэтому нерешенной задачей в робототехнике является проектирование роботов, способных использовать для своей навигации не искусственные приспособления, а естественные признаки, особенно в таких условиях, как дальнее океанское плавание, где система GPS недоступна.
• Работа в опасной среде. Роботы помогали людям при очистке ядерных отходов. К числу наиболее ярких примеров относится устранение последствий аварии в Чернобыле и на острове Тримайл Айленд. Роботы применялись для расчистки завалов Всемирного торгового центра в Нью-Йорке и направлялись на те участки, которые считались слишком опасными для поисковых и спасательных команд.
В некоторых странах роботы используются для транспортировки взрывчатых веществ и обезвреживания бомб; как известно, эти работы характеризуются повышенной опасностью. В настоящее время во многих исследовательских проектах ведется разработка прототипов роботов для обезвреживания минных полей на земле и на море. Большинство существующих роботов для таких задач действуют в режиме телеуправления — ими управляет оператор с помощью средств дистанционного управления. Следующим важным шагом является предоставление таким роботам автономии.
• Разведка. Роботы добрались до тех мест, где еще никто не бывал, включая поверхность Марса (см. рис. 25.1, а). С помощью роботов-манипуляторов космонавты выводят на орбиту и снимают с орбиты спутники, а также строят Международную космическую станцию. Кроме того, роботы помогают проводить подводные исследования. Например, с использованием роботов уже было составлено много карт расположения затонувших кораблей. На рис. 25.23 показан робот, составляющий карту заброшенной угольной шахты, наряду с трехмерной моделью карты, формируемой с помощью датчиков расстояния. В 1996 году группа исследователей выпустила шагающего робота в кратер действующего вулкана, чтобы он собрал данные, важные для климатических исследований. В военных операциях широко используются автономные воздушные транспортные средства, известные под названием беспилотных самолетов. Роботы становятся очень эффективными средствами сбора информации в тех областях, доступ к которым является сложным (или опасным) для людей.
• Здравоохранение. Роботы все чаще используются в качестве помощников хирургов при проведении операций на таких важных органах, как мозг, глаза и сердце. На рис. 25.22, б показана подобная система. Благодаря их высокой точности роботы стали незаменимым инструментальным средством при выполнении некоторых видов операций по эндопротезированию тазобедренного сустава. В экспериментальных исследованиях было обнаружено, что робототехнические устройства снижают опасность повреждений при выполнении колоноскопии. За пределами операционной исследователи стали разрабатывать средства робототехнической помощи для пожилых людей и инвалидов, такие как интеллектуальные автоматизированные шагающие аппараты и интеллектуальные игрушки, которые напоминают о наступлении времени приема лекарства.
• Персональные услуги. Перспективной областью применения робототехники становится предоставление услуг. Роботы-ассистенты помогают людям выполнять повседневные задачи. В число коммерчески доступных роботов-помощников по дому входят автономные пылесосы, газонокосилки и подносчики клюшек для гольфа. Все эти роботы способны передвигаться самостоятельно и выполняют свои задачи без помощи людей. Некоторые обслуживающие роботы функционируют в общественных местах; к таким примерам относятся роботизированные справочные бюро, развернутые в крупных универсамах и на торговых ярмарках, или автоматические экскурсоводы в музеях. Для успешного выполнения задач обслуживания требуется взаимодействие с людьми и способность надежно реагировать на непредсказуемые и динамические изменения в среде.
• Развлечения. Роботы начали завоевывать индустрию игр и развлечений. Выше уже шла речь о роботе AIBO компании Sony (см. рис. 25.4, б); этот игрушечный робот, похожий на собаку, используется в качестве исследовательской платформы в лабораториях искусственного интеллекта во всем мире. Одной из самых интересных задач искусственного интеллекта, которые изучаются с помощью этой платформы, является робототехнический футбол, — соревновательная игра, весьма напоминающая тот футбол, в который играют люди, но проводимая с участием автономных мобильных роботов. Робототехнический футбол открывает широкие возможности для исследований по искусственному интеллекту, поскольку ставит в повестку дня целый ряд задач, способных служить прототипами для многих других, более серьезных робототех-нических приложений. Ежегодные робототехнические футбольные соревнования привлекают интерес многих исследователей по искусственному интеллекту и вносят много приятных моментов в эту область робототехники.
• Дополнение возможностей людей. Последней прикладной областью робототех-нической технологии является дополнение возможностей людей. Например, исследователи разработали шагающие машины для прогулок, которые могут использоваться людьми для передвижения вместо инвалидных колясок. Кроме того, в некоторых исследованиях основные усилия в настоящее время сосредоточены на разработке устройств, которые упрощают для людей задачу ходьбы или передвижения их рук путем приложения дополнительных усилий, действующих через устройства, закрепленные вне скелета. Если крепления таких устройств установлены на постоянной основе, то их можно рассматривать как искусственные роботизированные конечности. Еще одной формой дополнения возможностей людей является роботизированное дистанционное выполнение операций, или так называемое телеприсутствие. Дистанционное выполнение операций — это осуществление рабочих заданий на больших расстояниях с помощью робототехнических устройств. При выполнении роботизированных дистанционных операций широко применяется такая конфигурация, как "ведущий—ведомый", в которой робот-манипулятор повторяет движения действующего на удалении оператора-человека, которые передаются через тактильный интерфейс. Все эти системы дополняют возможности человека по взаимодействию с его средой. Некоторые проекты заходят столь далеко, что в них предпринимается попытка создать некое подобие человека, по меньшей мере на очень поверхностном уровне. Например, в настоящее время некоторые японские компании выполняют коммерческие поставки роботов-гуманоидов.
Робототехника — это научно-техническое направление, посвященное созданию интеллектуальных агентов, которые выполняют свои манипуляции в физическом мире. В данной главе представлены перечисленные ниже основные сведения об аппаратном и программном обеспечении роботов.
• Роботы оснащены датчиками для получения результатов восприятия из своей среды и исполнительными механизмами, с помощью которых они могут прилагать физические усилия в своей среде. Большинство роботов представляют
РЕЗЮМЕ
собой либо манипуляторы, закрепленные в фиксированных позициях, либо мобильные роботы, способные передвигаться.
• Робототехническое восприятие предназначено для оценки количественных значений, необходимых для принятия решений, на основании сенсорных данных. Для выполнения этих функций требуются внутреннее представление и метод обновления этого внутреннего представления во времени. В число широко известных сложных задач восприятия входят локализация и составление карты.
• В процессе робототехнического восприятия могут применяться такие вероятностные алгоритмы фильтрации, как фильтры Калмана и фильтры частиц. Эти методы обеспечивают поддержку доверительного состояния, т.е. распределение апостериорных вероятностей по переменным состояния.
• Планирование движений робота обычно осуществляется в пространстве конфигураций, каждая точка которого определяет местонахождение и ориентацию робота, а также углы поворота его шарниров.
• В состав алгоритмов поиска в пространстве конфигураций входят методы декомпозиции ячеек, которые предусматривают декомпозицию пространства всех конфигураций на бесконечное количество ячеек, и методы скелетирования, предусматривающие создание проекций пространства конфигураций на пространства с меньшими размерностями. После этого задача планирования движений решается с использованием поиска в этих более простых структурах.
• Задачу прохождения по пути, найденному с помощью алгоритма поиска, можно решить, используя этот путь в качестве опорной траектории для PID-контроллеров.
• При использовании методов на основе поля потенциалов навигация роботов осуществляется с применением функций потенциалов, параметрами которых служат расстояния до препятствий и целевое местонахождение. Недостатком методов на основе поля потенциалов является то, что при их использовании могут возникать тупиковые ситуации, при которых робот не может выйти из локального минимума. Тем не менее эти методы позволяют непосредственно вырабатывать команды на осуществление движения, не требуя планирования пути.
• Иногда проще непосредственно задать спецификацию контроллера робота, а не определять алгоритмическим способом путь с помощью явно заданной модели среды. Такие контроллеры часто могут быть выполнены в виде простых конечных автоматов.
• Обобщающая архитектура позволяет программистам собирать контроллеры роботов из взаимосвязанных конечных автоматов, дополненных встроенными таймерами.
• Для разработки робототехнического программного обеспечения, в котором объединяются средства алгоритмического вывода, упорядочения подцелей и управления, широко применяется инфраструктура, основанная на трехуровневой архитектуре.
• Для упрощения разработки программного обеспечения роботов используются языки программирования специального назначения. В этих языках предусмотрены конструкции, предназначенные для разработки многопотокового программного обеспечения, для интеграции директив управления в средства планирования и для обучения на основе опыта.