Интеллектуальные роботы вчера, сегодня, завтра

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ РОБОТЫ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА

Д.А. Добрынин

Аннотация

В докладе рассматриваются вопросы применения технологий ИИ для роботов. Описывается история, современное состояние, перспективы развития и модельные задачи для интеллектуальных роботов.

Введение

Эволюция представлений о путях развития робототехники, ее целях и задачах весьма схожа с тем, что наблюдается с такой областью, как искусственный интеллект. Декларируемые общие принципы и, как казалось, понимание путей достижения некой глобальной цели исследования сменилось узкой специализацией, множеством частных, зачастую не связанных между собою подцелей и направлений.

Объясняется это тем, что поставленные изначально задачи оказались значительно более сложными, требующими создания совершенно иных моделей, методов и технологий, и прежде всего - технологий искусственного интеллекта.

Технологии искусственного интеллекта (ИИ) всегда были тесно связаны с робототехникой. Не случайно одним из направлений ИИ до сих пор считается целенаправленное поведение роботов (создание интеллектуальных роботов, способных автономно совершать операции по достижению целей, поставленных человеком) [Поспелов, 1988].

Робот - это технический комплекс, предназначенный для выполнения различных движений и некоторых интеллектуальных функций человека и обладающий необходимыми для этого исполнительными устройствами, управляющими и информационными системами, а также средствами решения вычислительно-логических задач [Попов и др., 1990].

В настоящее время различают 3 поколения роботов:

· Программные. Жестко заданная программа (циклограмма).

· Адаптивные. Возможность автоматически перепрограммироваться (адаптироваться) в зависимости от обстановки. Изначально задаются лишь основы программы действий.

· Интеллектуальные. Задание вводится в общей форме, а сам робот обладает возможностью принимать решения или планировать свои действия в распознаваемой им неопределенной или сложной обстановке.

Интеллектуальные роботы

Общепринято мнение, что интеллектуальный робот обладает т.н. моделью внешнего мира или внутренней средой, что позволяет роботу действовать в условиях неопределенности информации ([Попов и др., 1976]). В том случае, если эта модель реализована в виде базы знаний, то целесообразно, чтобы эта база знаний была динамической. При этом коррекция правил вывода в условиях меняющейся внешней среды естественным образом реализует механизмы самообучения и адаптации.

Если отойти от подобного «перечислительно-функционального» определения ИР, то останется лишь два более или менее конструктивных определения. Первое заключается в том, что интеллектуальный робот - это робот, в состав которого входит интеллектуальная система управления. Тогда достаточно только выбрать определение интеллектуальной системы (ИС). Например, определить ИС как компьютерную систему для решения задач, которые или не могут быть решены человеком в реальное время, или же их решение требует автоматизированной поддержки, или же их решение дает результаты сопоставимые по информативности с решениями человека ([Финн, 2004a], [Финн, 2004b]).

Кроме того, среди прочего подразумевается, что задачи, решаемые ИС не предполагают полноты знаний, а сама ИС должна обладать способностями: к упорядочению данных и знаний с выделением существенных параметров; к обучению на основе позитивных и негативных примеров, к адаптации в соответствии с изменением множества фактов и знаний и т.д. ([Финн, 2004b])

Другим, менее формальным, определением интеллектуальности робота может быть способность системы решать задачи, сформулированные в общем виде. Это определение является, не смотря на свою «слабость», достаточно конструктивным по крайней мере для того, чтобы определить «степень интеллектуальности» робота.

Итак, несмотря на множество предлагаемых критериев интеллектуальности, самым сильным остается по-прежнему требование, согласно которому роль человека при взаимодействии с ИР должна свестись лишь к постановке задачи.

Архитектура интеллектуальных роботов

На сегодняшний день считается, что в состав интеллектуального робота должны входить:

Исполнительные органы - это манипуляторы, ходовая часть и др. устройства, с помощью которых робот может воздействовать на окружающие его предметы. Причем по своей структуре это сложные технические устройства, имеющие в своем составе сервоприводы, мехатронные части, датчики, системы управления. По аналогии с живыми организмами это руки и ноги робота.

Датчики - это системы технического зрения, слуха, осязания, датчики расстояний, локаторы и др. устройства, которые позволяют получить информацию из окружающего мира.

Система управления - это мозг робота, который должен принимать информацию от датчиков и управлять исполнительными органами. Эта часть робота обычно реализуется программными средствами. В состав системы управления интеллектуального робота должны входить следующие компоненты:

Модель мира - отражает состояние окружающего робот мира в терминах, удобных для хранения и обработки. Модель мира выполняет функцию запоминания состояния объектов в мире и их свойств.

Система распознавания - сюда входят системы распознавания изображений, распознавания речи и т.п. Задачей системы распознавания является идентификация, т.е. «узнавание» окружающих робот предметов, их положения в пространстве. В результате работы компонентов системы распознавания строится модель мира.

Система планирования действий - осуществляет «виртуальное» преобразование модели мира с целью получения какого-нибудь действия. При этом обычно проверяется достижимость поставленной цели. Результатом работы планирования действий является построение планов, т.е. последовательностей элементарных действий.

Система выполнения действий - пытается выполнить запланированные действия, подавая команды на исполнительные устройства и контролируя при этом процесс выполнения. Если выполнение элементарного действия оказывается невозможным, то весь процесс прерывается и должно быть выполнено новое (или частично новое) планирование.

Система управления целями - определяет иерархию, т.е. значимость и порядок достижения поставленных целей.

Важными свойствами системы управления является способность к обучению и адаптации, т.е. способность генерировать последовательности действий для поставленной цели, а также подстраивать свое поведение под изменяющиеся условия окружающей среды для достижения поставленных целей.

Технологии ИИ для интеллектуальных роботов

Нечеткая логика находит применение, в основном, на нижнем уровне для управления конкретными устройствами. Методы нечеткой логики позволяют заменить решение дифференциальных уравнений для задач управления менее ресурсоемкими логическими методами нечеткого вывода.

Нейронные сети изначально были хорошо приспособлены для задач классификации. Первая модель перцептрона решала именно эту задачу. Именно поэтому наиболее широкое применение нейронные сети находят в системах распознавания образов. Возможно применение нейронных сетей для управления манипуляторами. Ведутся попытки создания на базе однородных нейроподобных структур систем выбора действий интеллектуальных роботов.

Рис. 1 Компоненты робота и методы ИИ

Интеллектуальные системы являются необходимым компонентом, решающим задачи создания модели мира, системы планирования действий и управления целями. База знаний в интеллектуальных системах является одной из главных частей модели мира и функций его преобразования.

Распознавание изображений давно стало необходимой частью сложных робототехнических систем. Системы объемного зрения позволяют получить информацию об ориентации объектов в пространстве. В этой области в настоящее время происходят значительные изменения.

Распознавание и генерация речи необходимы для эффективного общения с человеком. Без этих технологий полноценное общение с человеком невозможно. В области генерации речи по тексту достигнуты значительные успехи. С распознаванием речи дела обстоят хуже, поскольку это более сложная задача.

Многоагентные системы используются для коллективного управления большим количеством роботов, способных работать как по отдельности, так и единой командой.

История создания интеллектуальных роботов

В 1948 году английский нейрофизиолог У. Росс Эшби разработал электромагнитное устройство, моделирующее свойство гомеостазиса и назвал его «гомеостатом». Это устройство, не делает ничего, кроме непрерывного движения к равновесию. Гомеостат Эшби имеет большое количество различных состояний, часть из которых статически устойчива, а часть неустойчива. Если система находится в неустойчивом состоянии, происходит переключение. Переключения происходят до тех пор, пока система не найдет одно из устойчивых состояний вблизи среднего положения. Целеустремленное поведение гомеостата, при котором он находит устойчивое состояние при самых различных возмущениях, Эшби и назвал свойством ультраустойчивости.

Наибольшую известность приобрели три “черепашки”, созданные английским биофизиком и нейрофизиологом Г. Уолтером в 1950 - 1951 гг. Эти устройства представляют собой самодвижущиеся электромеханические игрушки, способные ползти на свет или от него, обходить препятствия, заходить в “кормушку” для подзарядки разрядившихся аккумуляторов и тому подобное. Несмотря на очень простое устройство и аналоговую систему управления, “черепашки” демонстрируют свойства обучения.

Возникновение интеллекта у роботов связано с развитием ЭВМ ([Макаров и др., 2003]).

Робот “Шейки” был создан в 1969 году в Стенфордском исследовательском институте (США) и назывался тогда интегральным роботом или мобильным автоматом с использованием принципов искусственного интеллекта. Этот робот состоит из подвижной части, ЭВМ SDS-940 и соответствующего программного обеспечения.

Робот был создан для изучения процессов управления в сложной окружающей среде в реальном масштабе времени. Все функции, которые должен выполнять робот, можно разделить на три класса: решение задачи, восприятие, моделирование. Система управления робота, осуществляющая решение задач, использует записанную в модели информацию для планирования и расчёта последовательности действий. По мере изменения внешней среды активными действиями самого робота или по другим причинам модель должна преобразоваться с целью запоминания этих изменений. Кроме того, в модель должна добавляться новая, текущая информация о внешней среде, которую робот приобретает в процессе её познания.

В1969 г. в Электротехнической лаборатории (Япония) началась разработка проекта "промышленный интеллектуальный робот". Цель этой разработки -- создание очуствленного манипуляционного робота с элементами искусственного интеллекта для выполнения сборочно-монтажных работ с визуальным контролем. Манипулятор робота имеет шесть степеней свободы и управляется мини-ЭВМ NEAC-3100 (объем оперативной памяти 32000 слов, объем внешней памяти на магнитных дисках 273000 слов), формирующей требуемое программное движение, которое отрабатывается следящей электрогидравлической системой. Схват манипулятора оснащен тактильными датчиками. В качестве системы зрительного восприятия используются две телевизионные камеры, снабженные красно-зелено-синими фильтрами для распознавания цвета предметов. Поле зрения телевизионной камеры разбито на 64*64 ячеек. В результате обработки полученной информации грубо определяется область, занимаемая интересующим робота предметом. Далее, с целью детального изучения этого предмета выявленная область вновь делится на 4096 ячеек. В том случае, когда предмет не помещается в выбранное "окошко ", оно автоматически перемещается, подобно тому, как человек скользит взглядом по предмету. Робот Электротехнической лаборатории был способен распознавать простые предметы, ограниченные плоскостями и цилиндрическими поверхностями при специальном освещении.

В 1972-1975 годах в Киевском Институте кибернетики под руководством Н. М. Амосова и В. М. Глушкова был создан макет транспортного автономного интегрального робота (ТАИР). Робот демонстрировал целенаправленное движение в естественной среде, обход препятствий и т.п. Конструктивно ТАИР представлял собой трехколесную самоходную тележку, снабженную системой датчиков: оптическим дальномером, навигационной системой с двумя радиомаяками и компасом, контактными датчиками, датчиками углов наклона тележки, таймером и др. Особенностью, которая отличает ТАИР от многих других систем, созданных в СССР и за рубежом, является отсутствие в его составе компьютера в том виде, к которому мы привыкли. Основу системы управления составляет аппаратно реализованная нейронная сеть (узлы сети - специальные электронные схемы, собранные на транзисторах, связи между узлами - резисторы), на которой реализуются различные алгоритмы обработки сенсорной информации, планирования поведения и управления движением робота.

Планетоходы являлись важнейшим этапом в создании космических роботов. В период до 1989 года человечеству было известно три модели планетоходов. Это советские самоходные исследовательские аппараты “Луноход-1”, “Луноход-2” и американские типа LRV. Они являются выдающимися образцами инженерного творчества. Опыт их создания и эксплуатации на Луне дал богатый материал по принципам проектирования, изготовления многих элементов конструкции и управления.

Современное состояние и перспективы

Промышленные роботы начали широко внедряться в производственную сферу в семидесятые годы прошлого столетия. Эти роботы управлялись автоматически от систем числового программного управления. Применение элементов адаптации позволило расширить возможности промышленных роботов.

В настоящее время различные фирмы ABB, STAUBLI, REIS, MOTOMAN, MITSUBISHI и другие производят промышленных роботов для манипулирования, сварки, покраски, упаковки, шлифовки, полировки и т. д. с большим спектром применения и по точности, и по характеру выполняемых операций. интеллектуальный робот искусственный интеллект

Основными потребителями в области промышленной робототехники является автомобильная и электронная промышленность.

Военные роботы - это уже не фантастика. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) является основным исследовательским центром Министерства Обороны США. На сегодня в рамках этой организации проводится очень амбициозная программа - создание армии роботов. По оценкам специалистов подготовка робото-армии, состоящей из воздушных сил и пехоты будет завершена в течение ближайших 10 лет. А к 2015 году DARPA планирует сделать одну треть транспортных средств, состоящих на вооружении США, беспилотными. Переход к полноценной робототехнической армии должен состояться к 2025 году. Благодаря внедрению роботов, из военных действий исключается самый важный фактор - присутствие на поле боя живых солдат. Используя спутниковую связь, управление такой армией можно вести из любой точки мира. Уже имеются в наличии беспилотные самолеты, легкое и среднее наземное вооружение. В ближайшем будущем будет предусмотрен и вариант с тяжелой бронетехникой нового поколения.