Кибернетика

Счетно-решающее устройство, управляющее работой прибора-игрушки, имеет всего сто десять электромагнитных реле. Путь «мыши» фиксируется этим устройством, и если она в какой-либо коридор лабиринта входила и выходила (что означает, что «сала» там нет), то вход в этот коридор при повторных опытах перекрывается.

Не менее интересны  и другие кибернетические игрушки, созданные в различных вариантах как у нас, так и за рубежом. Это «черепахи», «лисицы» и другие электронные «животные», с помощью которых ученые изучают возможности моделирования техническими средствами условных рефлексов. В последнее время благодаря настойчивым поискам наиболее целесообразного решения задачи разработаны инструкции автоматических «животных», изготовление которых оказывается под силу радиолюбителю. О таких устройствах мы расскажем дальше.

Создание машин-автоматов, способных обучаться, накапливать опыт и приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям, является важнейшим достижением кибернетики. Оно имеет огромное значение для развития народного хозяйства страны, так как позволяет освободить человека от многих актов управления машиной, требующих участия его умственной деятельности.

В настоящее время исследование самообучающихся систем только начинается. Поэтому не удивительно, что существующие устройства этого типа, выполненные  чаще всего в виде «научных игрушек», способны моделировать лишь простейшие элементы процесса обучения живых существ. Бурное развитие кибернетики показывает, что моделирование этого процесса с каждым годом будет становиться  все более глубоким. Несомненно, в ближайшем будущем самообучающиеся машины-автоматы будут широко применяться в самых различных областях народного хозяйства.

3. Черный ящик

 

Чёрный ящик — объект, внутренняя структура которого неизвестна или неважна в рамках решаемой задачи, но о функциях, которого можно судить по его реакциям на внешнее воздействие.

Полное описание функций  «черного ящика» называется его каноническим представлением. «Чёрные ящики», характеризуемые  одинаковыми каноническими представлениями, считаются эквивалентными.

В отличие от «черного ящика» «белый ящик» — это объект, внутренняя структура которого нам полностью  известна, например, какое-либо созданное  нами техническое устройство или  компьютерная программа.

Понятие «чёрный ящик»  широко используется во многих научных  дисциплинах, в первую очередь технических, при изучении и/или описании любых  объектов, обладающих относительно устойчивым характером (без учёта развития или  изменения самого объекта). Это обусловлено  тем, что «чёрный ящик» является наглядной формой представления  результата основного процесса человеческого  мышления — абстрагирования, и использование  «чёрного ящика» при описании объекта  значительно облегчает понимание  смысла.⁵

Кибернетика, как уже отмечалось выше, занимается, главным образом, исследованием механизмов управления и передачи информации в сложных  стохастических системах. Для изучения процесса управления кибернетики используют понятия обратной связи и гомеостаза; для анализа вероятностных характеристик  систем они применяют статистическую теорию информации; наконец, исследование комплексности систем они осуществляют с помощью понятия черного  ящика. Представляя систему в  качестве черного ящика, кибернетики  по умолчанию соглашаются с когнитивными ограничениями своего понимания  огромного числа возможных состояний, доступных сложной системе в  любой момент времени. Однако при этом они признают возможности манипулирования некоторыми входными сигналами и наблюдения некоторых результатов работы системы на выходе. Если выходные сигналы непрерывно сравниваются с конкретными желаемыми величинами, то некоторые реакции системы могут быть определены с точки зрения их влияния на входные сигналы черного ящика с тем, чтобы сохранить систему «в управляемом состоянии».

При моделировании системы  в виде черного ящика идентифицируются четыре набора переменных: набор возможных  состояний системы (S); набор возмущений, способных повлиять на текущее ее состояние (Р); набор реакций на эти  возмущения (R); набор целей, определяющих приемлемые состояния в соответствии с установленными критериями (Т). Считается, что система находится в “управляемом состоянии” если в любой момент времени ее состояние соответствует состоянию из набора Т. С помощью этой модели устанавливается чрезвычайно важный кибернетический принцип: если система находится в управляемом состоянии, то необходимо, чтобы для любого возмущения, стремящегося вывести систему из допустимых состояний, существовала такая ее реакция, которая после своего осуществления приводила бы систему в одно из состояний из совокупности Т. Данный принцип был разработан английским кибернетиком Россом Эшби и получил название «закона необходимого многообразия», обычно формулируемого следующим образом: «только многообразие способно поглотить многообразие».⁶

 

Глава 2. Робототехника

2.1. Робототехника как раздел кибернетики

 

Предмет робототехники — это  создание и применение роботов, других средств робототехники и основанных на них технических систем и комплексов различного назначения. Возникнув на основе кибернетики и механики, робототехника в свою очередь породила новые направления развития и самих этих наук. В кибернетике это связано, прежде всего, с интеллектуальным управлением и бионикой как источником новых, заимствованных у живой природы идей, а в механике — с многостепенными механизмами типа манипуляторов.⁷

Робот можно определить как универсальный автомат для осуществления механических действий, подобных тем, которые производит человек, выполняющий физическую работу. При создании первых роботов и вплоть до наших дней образцом для них служат возможности человека. Именно стремление заменить человека на тяжелых и опасных работах породило идею робота, затем первые попытки ее реализации (в средние века) и, наконец, обусловило возникновение и развитие современной робототехники и роботостроения.

На рис. В.1 показана функциональная схема робота. В общем виде она  включает исполнительные системы— манипуляционную (один или несколько манипуляторов) и передвижения (транспортную), информационно-управляющую, сенсорную, дающую информацию о внешней среде и систему связи с оператором, а также с другими взаимодействующими с роботом машинами. Исполнительные системы в свою очередь состоят из механической системы и системы приводов. Механическая система манипулятора — это обычно кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев с угловым или поступательным перемещением, которая заканчивается каким-нибудь рабочим инструментом или захватным устройством.

Со временем понятие робот расширилось  и под ним часто стали понимать любую автоматическую машину, заменяющую человека и чем-то напоминающую его разумное поведение.

Исполнительные системы

Рис. В.1. Функциональная схема робота

 

В этой работе термин «робот» будет использоваться в приведенном ранее стандартизованном смысле.

Из данного определения робота следует, что — это машина автоматического  действия, которая объединяет свойства машин рабочих и информационных, являясь, таким образом, принципиально  новым видом машин. В достаточно развитом виде роботы аналогично человеку осуществляют активное силовое и  информационное взаимодействие с окружающей средой и благодаря этому могут не только обладать искусственным интеллектом, но и совершенствовать его. Правда, пока роботы еще очень далеки по своим интеллектуальным возможностям от человека. При этом от ранее известных видов машин роботы также принципиально отличаются своей универсальностью (многофункциональностью) и гибкостью (быстрым переходом к выполнению новых операций).

В основе универсальности роботов  лежит универсальность его рабочих  органов, хотя сегодня до универсальности  руки человека им еще далеко (правда, это компенсируется возможностью быстрой смены рабочих органов робота в процессе выполнения операций).

Универсальность роботов предполагает возможность выполнения ими различных целенаправленных действий, которые требуют определенных интеллектуальных способностей. Это открывает широкие возможности использования роботов в качестве как основного технологического оборудования (на сборке, сварке, окраске и т. п.), так и вспомогательного — для замены рабочих, запятых обслуживанием такого оборудования.

Универсальность роботов позволяет  автоматизировать принципиально любые  операции, выполняемые человеком, а  быстрота перестройки на выполнение новых операций при освоении новой  продукции или иных изменениях в  производстве сохраняет у автоматизируемого  с помощью роботов производства ту же гибкость, какую сегодня имеют  только производства, обслуживаемые человеком. Роботы потому и появились лишь во второй половине XX столетия, что именно сейчас назрела необходимость в таких универсальных и гибких средствах, без которых невозможно осуществить комплексную автоматизацию современного производства с его большой номенклатурой и частой сменяемостью выпускаемой продукции, включая создание гибких автоматизированных производств.

 

 

2.2. Использование робототехники в наши дни

 

Дальнейшее развитие робототехники  привело к расширению сферы ее применения, включая создание с ее помощью новых технических систем, принципиально невозможных при  участии или даже присутствии  человека.

Термин «робот», как известно, славянского происхождения. Его ввел известный писатель К. Чапек в 1920 г. в своей фантастической пьесе "R.U.R." ("Россумовские универсальные роботы"), в которой так названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах. Название «робот» образовано от чешского слова robota, что означает тяжелый подневольный труд.

Помимо роботов для тех же целей широкое применение получили манипуляторы с ручным управлением (копирующие манипуляторы, телеоператоры и т. п.) и с различными вариантами полуавтоматического и автоматизированного управления, а также однопрограммные (не перепрограммируемые) автоматические манипуляторы (автооператоры и механические руки). Эти устройства явились в значительной степени предшественниками роботов. Появились они главным образом для манипулирования объектами, непосредственный контакт с которыми для человека вреден или опасен (радиоактивные вещества, раскаленные болванки и т. п.). Однако, хотя появление роботов существенно сузило сферу их применения, эти простые средства механизации и автоматизации не потеряли своего значения. Все они сегодня вместе с роботами входят в общее понятие средств робототехники.

Как уже было отмечено, объективной  причиной возникновения и развития современной робототехники явилась историческая потребность производства в гибкой автоматизации с устранением человека из непосредственного участия в машинном производстве и недостаточность для этой цели традиционных средств автоматизации. Поэтому задачей робототехники наряду с созданием собственно средств робототехники является разработка основанных на них систем и комплексов различного назначения. Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными. Роботизированные системы, в которых роботы выполняют основные технологические операции, называются робототехническими.

Как уже отмечалось, наряду с внедрением в действующие производства роботы открывают широкие перспективы  для создания принципиально новых  технологических процессов, не связанных  с весьма обременительными ограничениями, налагаемыми непосредственным участием в них человека. При этом имеются в виду как действительно очень ограниченные физические возможности человека (по грузоподъемности, быстродействию, точности, повторяемости и т. п.), так и требуемая для него комфортность условий труда (качество атмосферы, отсутствие вредных внешних воздействий и т. д.). Сегодня непосредственное участие человека в технологическом процессе зачастую является серьезным препятствием для дальнейшей интенсификации производства и создания соответствующих новых технологий.

Роботы получили наибольшее распространение  в промышленности и, прежде всего, в  машиностроении. Предназначенные для  этой цели роботы называют промышленными роботами. Не менее широкие перспективы имеют роботы в горнодобывающей промышленности, металлургии и нефтяной промышленности (обслуживание бурильных установок, монтажные и ремонтные работы), в строительстве (монтажные, отделочные, транспортные работы), в легкой, пищевой, рыбной промышленности.

Наряду с использованием в промышленности роботы применяются и в других областях народного хозяйства и  вообще человеческой деятельности: на транспорте (включая создание шагающих транспортных машин), в сельском хозяйстве, медицине (протезирование, хирургия — стерильная, дистанционная, обслуживание больных и инвалидов), в сфере обслуживания, для исследования и освоения океана и космоса и выполнения работ в других экстремальных условиях (стихийные бедствия, аварии, военные действия), в научных исследованиях.

Применение роботов не только приносит конкретный технико-экономический эффект, связанный с повышением производительности труда, сменности работы оборудования и качества продукции, но и является важным средством решения социальных проблем, позволяя освобождать людей от тяжелого, опасного и монотонного труда.

Длительное применение роботов  в различных сферах привело к  внедрению его в различные  области. Шаг за шагом благодаря  инновационной политике школ, регионов и правительства РФ робототехника  проникла в сферу образования.⁸

 

2.3. Образовательная робототехника

 

Термин «образовательная робототехника» означает различное межпредметное использование роботов и прочих подобных систем в обучении детей, как на урочной, так и во внеурочной деятельности.

Использование роботов при обучении в школе всегда было дело непростым. В первую очередь из-за отсутствия должных кадров. Образовательные  учреждения, в которых возникали  движения в этом направлении, в основном были профилированными, либо в этом учреждении работал инженер-радиолюбитель с высшим образованием.