Вопросы для самоконтроля

1. Что такое робот и робототехническая система? Расскажите о назначении роботов.

2. Дайте классификацию роботов.

3. Расскажите о трех категориях роботов.

4. Приведите обобщенную схему системы управления интеллектуального робота и поясните ее.

5. Приведите примеры разработанных роботов.

6. Назовите и дайте краткую характеристику проблем технической реализации роботов.

7. Приведите перечень проблем технической реализации роботов.

§ 3.12. Адаптивные промышленные роботы

§ 3.12.1. Адаптация и обучение.

Как указывалось ранее роботы второго поколения называются адаптивными. В биологии под адаптацией понимают способность системы (живого организма) достигать требуемых целей в условиях неопределенности на основе использования текущей информации о системе (внешней среде). Такое понимание термина адаптация будем обозначать как «адаптацию в широком смысле». Здесь имеется в виду, что требуемые цели могут достигаться только в некотором заданном классе целей и проблемных сред.

Принципы адаптации могут применяться не только на этапе функционирования технической системы, но и на этапе ее проектирования. В этом случае роль системы играет обычно ее математическая модель, реализованная на цифровой или аналоговой машине. Для живых систем аналогом процесса проектирования является естественная эволюция как некоторый итеративный процесс совершенствования живой материи в филогенезе и онтогенезе.

Для достижения требуемой цели система должна обладать некоторой стратегией, которая формируется на этапе проектирования и (или) функционирования этой системы.

Под стратегией понимают способ формирования совокупности правил принятия решений. Правила принятия решений реализуются с помощью нескольких операторов, каждый из которых перерабатывает путем вычислений входные данные в выходные. В простых задачах стратегия может вырождаться в единственное правило решения, реализованное с помощью одного оператора.

Если принятая стратегия обеспечивает достижение требуемой цели, то она называется адекватной. Простейшей адаптивной в широком смысле системой является обычная система с обратной связью. Ее «правило решения», обеспечивающее заданное соответствие выхода входу, определяется структурой системы и принятым законом регулирования.

Обычно цель функционирования системы имеет сложный характер: требуется решить некоторую задачу при выполнении дополнительных условий. Этими условиями могут быть показатели качества решения задачи: точность, вероятность правильного решения и т.д. Дополнительными условиями могут быть также требования на расход ресурсов активной системы — времени, объема памяти, количества операций и т.д., которые допустимо затратить для достижения поставленной цели. Желательно, чтобы на решение заданной задачи затрачивался минимум того или иного ресурса или затраты одного (или нескольких) ресурсов не превышали заданных значений. Возможны также смешанные постановки задач, когда требуется минимизировать значение одного из дополнительных условий при ограничениях на значения других условий.

Часто применяются определения адаптации «в узком смысле», которые содержат указания на некоторые изменения, происходящие в технической системе в процессе взаимодействия с системой (внешней средой). Обычно изменениям подвергается стратегия (решающее правило) технической системы. Например, система с обратной связью будет адаптивной в узком смысле, если она способна достигнуть цели, изменяя параметры и (или) структуру решающего правила (закона регулирования) на основе текущей информации. Теория этого класса адаптивных систем в настоящее время получила наибольшее развитие.

В зависимости от типа цели, структуры проблемной среды, критерия качества работы технической системы, вида априорной и текущей информации возможно большое число градаций механизмов адаптации, начиная от рудиментарных, реализуемых с помощью обычной обратной связи, и кончая многоуровневыми системами, имеющими сложную организацию памяти и способными запоминать и перерабатывать большие массивы информации.

При обучении, кроме технической системы и внешней среды, имеется и обучающая система («учитель»). Обучение можно трактовать как процесс приобретения знаний активной технической системой при ее взаимодействии со средой с помощью обучающей системы. Обучающая система сообщает технической системе обучающую информацию, которая используется наряду с текущей информацией для достижения требуемых целей. В робототехнике под обучением обычно понимают ввод в память робота априорной информации, необходимой для решения поставленной задачи.

Обучающая информация может быть различна. В простейшем случае "учитель" информирует техническую систему об успехе или неудаче каждой попытки достичь требуемой цели. Возможен также "показ учителем" примеров решения задач определенного класса с последующими указаниями о правильности самостоятельных решений системой других задач этого класса. После завершения процесса обучения система должна уметь, вообще говоря, решать не только задачи, которые ранее ей встречались в этом процессе, но и задачи, сходные с ними в том или ином смысле. Следовательно, в процессе обучения формируется некоторое обобщенное правило решения данного класса задач, которое позволяет системе выходить за пределы непосредственно полученной информации. Возможна градация уровней обучения по степени общности и сложности тех правил решения (стратегий), которые формируются в процессе обучения.

При самообучении в активной системе должна формироваться собственная оценка результата каждой попытки и в соответствии с этой оценкой вырабатываться адекватная стратегия.

Рассмотрим некоторые основные процедуры, которые необходимо моделировать для автоматизации сенсомоторных и простейших интеллектуальных операций человека.

Сравнение. С помощью этой процедуры определяется сходство и различие между объектами. Например, операция контроля в технике сводится к сравнению непосредственно проверяемого изделия с эталонным (шаблоном) (сравнение на сенсорном уровне) или к сравнению числовых параметров, описывающих характеристики этих изделий (сравнение на модельном уровне). Если удается измерить необходимые параметры, характеризующие само изделие (или, в задачах робототехники, - его положение и ориентацию), то техническая реализация процесса автоматизации этой операции не вызывает никаких трудностей.

Декомпозиция (анализ). При опознавании или сравнении сложных объектов или сцен необходимо перейти от целостной структуры объекта (сцены) (или их формальных описаний) к отдельным подструктурам. Аналогичная задача возникает и при планировании действий — необходимо перейти от конечной цели к последовательности подцелей, с помощью достижения которых решается поставленная задача. Формализация этой процедуры как на сенсомоторном, так и мыслительном уровнях встречает существенные трудности, которые в настоящее время преодолены лишь для сравнительно простых задач.

Восстановление (синтез). С помощью этой процедуры из отдельных подструктур формируется целостная структура. В качестве таких подструктур могут выступать отдельные элементы сцены (или объекта), отдельные типы действий или подцелей. В частности, возможна постановка задачи о синтезе некоторого двигательного акта на основе элементарных движений отдельных частей эффекторной системы. При решении различных задач автоматизации сенсомоторных и мыслительных действий необходимо применять обычно процедуры анализа и синтеза. Заметим, что человек эффективно применяет в своей деятельности процесс «анализа через синтез».

Обобщение. Для эффективного решения ряда задач по формированию сенсомоторных действий, распознаванию объектов и формированию понятий необходимо абстрагироваться от несущественных, случайных характеристик единичных структур и выделять то общее, что присуще целому классу рассматриваемых структур. Обобщение можно трактовать как одну из основных процедур, позволяющих осуществить сжатие информации в процессе ее переработки человеком или автоматом. Существует целый ряд процедур обобщения. В дальнейшем ограничимся рассмотрением только наиболее важных для задач робототехники процедур обобщения.

Конкретизация. Эта операция является обратной по отношению к операции обобщения. С помощью конкретизации рассматриваемой структуре возвращаются ее индивидуальные черты. В задачах робототехники наделение некоторой структуры только ей присущей спецификой может быть, как правило, осуществлено при взаимодействии априорной информации, заключающейся в имеющейся обобщенной структуре, с текущей информацией, поступающей от датчиков робота. Текущая (сенсорная) информация несет в себе отличительные особенности конкретной структуры. При программной реализации некоторого оператора конкретизация означает использование в программе параметров, соответствующих данной задаче.

При решении задач автоматизации сенсомоторной деятельности и создании элементов искусственного интеллекта применение одной из процедур требует, как правило, применения и ряда других, которые создают условия для применения основной процедуры. Например, сравнение сложных объектов может потребовать декомпозиции их описаний, а также применения процедуры обобщения понятий по признакам.