12.2. Машинный интеллект и робототехника

Основу всякого робота составляет его <тело> и совокупность механических, электромеханических, пневматических и т.п. устройств, обеспечивающих его прочностные и несущие свойства, способность перемещаться в пространстве и воздействовать на объекты внешнего мира. На шасси располагают устройства восприятия информации из среды, устройства управления и различные вспомогательные устройства, рассматриваемые как физические объекты. В зависимости от назначения робота состав его <тела> может изменяться.

Непременным компонентом робота является система управления, которую называют <жесткой> (блок 6). Она содержит неизменяемую программу или логические устройства, которые управляют работой приводов движителей и эффекторов, и может быть также представлена совокупностью выключателей, упоров и т.п. В тех случаях, когда робот снабжен более развитой системой управления, <жесткая> система составляет ее нижний уровень.

Система восприятия (блок 7) включает датчики, контролирующие состояние <тела> робота, и параметры внешней ситуации, в которой он находится. Сюда могут входить также развитые системы технического зрения, содержащие оптические, ультразвуковые, телевизионные и т.п. устройства. Все они составляют набор сенсоров робота.

Система восприятия включает также средства предварительной обработки информации, поступающей от сенсоров, и средства интерпретации этой информации. Под интерпретацией понимают <переводи языка выходных сигналов сенсоров на язык описания объектов и состояний внешней среды. Интерпретация осуществляется с помощь> знаний о внешнем мире и <теле> робота, хранящихся в блоке 2. Интерпретированные сообщения предъявляются человеку-оператору принимающему участие в управлении роботом (связь с блоком 3), или могут использоваться собственной системой управления (связи с клоками 4 и 5).

Устройство связи робота с человеком-оператором - диалоговый процессор - предназначен для выполнения ряда функций. Одна из них состоит в восприятии и предварительной обработке входных высказываний, поступающих от оператора. С помощью высказываний оператор может ставить перед роботом задачи, управлять процессом их решения, корректировать действия робота и т.п. Специальные высказывания могут быть адресованы системе восприятия и управлять режимом ее работы (включение/выключение отдельных сенсоров, задачи на поиск нужных признаков, объектов). Высказывания могут быть речевыми или иметь текстовую форму. В последнем случае они представляются, например, в виде последовательности рукописных символов, пробивок на перфоленте или воздействий на клавиатуру.

Функция предварительной обработки состоит в осуществлении морфологического и синтаксического анализа входных высказываний, выполняемого на основе знаний об используемом языке (блок 2).

Следующая функция диалогового процессора связана с семантическим анализом высказываний. В ходе этого анализа высказывание интерпретируется в некий внутренний язык робота, понятный его системам управления, и на этом языке формулируется задача или сообщение, смысл которых должен полностью совпадать со смыслом воспринятого высказывания. Так осуществляется <понимание> роботом человека. Полнота этого понимания может быть проконтролирована лишь по конечным результатам действий робота.

Семантический анализ проводится на основе знаний, представленных в блоке 2. При этом должны быть использованы знания не только о внешнем (физическом) мире и о самом роботе, но и знания о мире задач человека, его целях, способах их выражения, характерных умолчаниях и т.п. Так, приказание <принеси круглый предмет> не должно приводить к попыткам робота рассмотреть в качестве кругло1 о предмета голову оператора.

Полнота реализации описанных функций зависит от назначения робота и уровня используемого языка управления. Если, например, указания формируются в терминах команд для блока 6, диалоговый процессор может быть редуцирован до клавиатуры управления.

Еще одна функция диалогового процессора состоит в интерпретации и выдаче сообщений и запросов, формируемых системами восприятия, знаний и управления. Интерпретация заключается в переводе сообщений с внутреннего языка робота на язык систем вывода. В качестве последних могут использоваться синтезаторы речи, видеотерминалы, графопостроители и другие устройства.

Собственно система управления робота, точнее ее высшие уровни, представлены планировщиком (блок 5) и системой принятия решений, или решателем (блок 4). Задача планировщика заключается в том, чтобы на основе соответствующих данных осуществить автоматическое решение задачи, формальное описание которой поступает из диалогового процессора. В простых случаях планировщик выступает в роли трассировщика, определяющего оптимальную или близкую к ней траекторию (программу) перемещения в пространстве рабочих органов робота или самого робота. В более сложных случаях планировщик выполняет сложную обработку информации, представленной не только в цифровой, но и в символьной форме, и вырабатывает обобщенные планы достижения поставленной цели.

Решатель обычно выполняет те же функции, что и планировщик. Различие заключается в работе на разных уровнях детализации задач. Уровень планировщика можно назвать стратегическим, а уровень решателя - тактическим. При решении своих задач планировщик использует информацию об общем характере среды, примерном расположении препятствий и т.п. Такая информация хранится преимущественно в блоке 2 и играет роль карты рабочего пространства. Решатель же использует в основном данные о текущей ситуации, поступающие от системы восприятия, и формирует конкретные команды управления, последовательность которых должна обеспечить выполнение текущих этапов плана, синтезированного планировщиком.

Если выполнение плана приводит к неудаче, например, робот наталкивается на непреодолимое препятствие и очередная команда не может быть выполнена, решатель распознает это либо по данным системы восприятия, либо по сигналам с <жесткого> уровня управления и формирует соответствующее сообщение для планировщика.

Последний либо решает задачу заново, синтезируя новый план, либо через диалоговый процессор передает сообщение оператору и ожидает дальнейших указаний.

Каждый из рассмотренных блоков реализует довольно сложный комплекс функций, решая при этом свою задачу. Проблемы, связанные с разработкой теоретических принципов и технических средств построения каждого из блоков, и являются основными проблемами робототехники. Все они тесно связаны с идеями и методами искусственного интеллекта.

Типология роботов. Многие из уже существующих и разрабатывающихся в настоящее время роботов существенно различаются как по структуре, так и по функциональным возможностям. Различают три поколения роботов. Эта классификация основана на их структурных различиях и в то же время отражает хронологию развития робототехники.

Первыми были созданы роботы, включающие только блоки 6 и 7. Они названы роботами первого поколения. К ним относятся практически все известные в настоящее время промышленные роботы. Роботы второго поколения, или очувствленные роботы, пключают блоки 1, 4, б я 7. Например, система <глаз-рука>. Отметим, что ранние представители этого поколения обладали довольно примитивными сенсорами, а их системы принятия решений реализовывали простые переключения <жестких> программ. В дальнейшем они значительно усложнились, однако наиболее совершенные роботы этого класса существуют пока лишь в лабораториях.

Роботы третьего поколения, или роботы с искусственным интеллектом (блоки 1-7), находятся в настоящее время в стадии разработки. Одной из основных проблем их создания является проблема знаний.

В ряде случаев оказывается удобным пользование не структурной, а функциональной классификацией, поскольку она указывает, что робот может делать и для чего применяться. Рассмотрим такую классификацию, используя понятие степени интеграции функций робота.

Развитые, функционально завершенные системы, являющиеся компонентами роботов разного типа, могут быть разделены на пять групп:

группа В - системы восприятия зрительной, слуховой, тактильной и других типов информации о внешнем мире;

группа М - системы воздействия на объекты внешнего мира - различные манипуляторы, толкатели и т. п.;

группа Т - системы, обеспечивающие перемещение робота (колесные, гусеничные, шагающие, плавающие, летающие платформы и аппараты);

группа П- системы целеполагания и планирования действий робота, системы решения задач;

группа Р - системы, обеспечивающие коммуникацию робота с человеком-оператором и другими роботами на языках общения различных уровней, вплоть до естественного.