авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Глазунов Виктор Аркадьевич

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ РОБОТОТЕХНИКИ

Специальность: 09.00.08 –

Философия наук

и и техники

Диссертация на соискание ученой степени

доктора философских наук

Москва 2003 г.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ стр. 4 Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РОБОТОТЕХНИКА ВО ВЗАИМОСВЯЗИ С ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКИМ И МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫМ ХАРАКТЕРОМ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ стр. 19 1.1. РОБОТОТЕХНИКА И ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКАЯ НАУКА стр. 20 1.2. МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОСТЬ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ РОБОТОТЕХНИКИ стр. 56 Глава 2. НАУЧНЫЕ РЕВОЛЮЦИИ И РОБОТОТЕХНИКА стр. 82 2.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ АНАЛОГИЙ ПРИ РАССМОТ РЕНИИ БИФУРКАЦИЙ ЧЕЛОВЕКОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ стр. 2.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАУЧНЫХ РЕВОЛЮЦИЙСРЕДСТВАМИ РОБОТОТЕХНИКИ стр. Глава 3. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОСТЬ И ЭВОЛЮЦИОНИЗМ В ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ РОБОТОТЕХНИКЕ стр. 3.1. КРИТЕРИИ ВЫБОРА НАУЧНОЙ ТЕОРИИ В РОБОТОТЕХНИКЕ стр. 3.2. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ ВО ВЗАИМОСВЯЗИ С ЭВОЛЮЦИОНИЗМОМ стр. Глава 4. ВИРТУАЛИСТИКА И ПАРАДИГМАЛЬНЫЕ ПРИВИВКИ В РОБОТОТЕХНИКЕ стр. 4.1. ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РОБОТОТЕХНИКА стр. 4.2. ПАРАДИГМАЛЬНЫЕ ПРИВИВКИ В РОБОТОТЕХНИКЕ стр. Глава 5. СЕТЕВОЕ МЫШЛЕНИЕ И ФРАКТАЛЬНОСТЬ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ РОБОТОТЕХНИКИ КАК ЧЕЛОВЕКОРАЗМЕРНОЙ СИСТЕМЫ стр. 5.1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РОБОТОТЕХНИКА КАК ЧЕЛОВЕКОРАЗМЕРНАЯ СИСТЕМА стр. 5.2. СЕТЕВОЕ МЫШЛЕНИЕ И ФРАКТАЛЬНОСТЬ В РОБОТОТЕХНИКЕ стр. ЗАКЛЮЧЕНИЕ стр. ЛИТЕРАТУРА стр. ВВЕДЕНИЕ Теоретическая робототехника, под которой мы понимаем совокупность методов конструирования робототехнических систем и исследования их ме ханических характеристик и принципов управления, является одним из са мых молодых и перспективных направлений исследований последних деся тилетий. В этой отрасли знаний объединились достижения механики (в част ности, теории механизмов), а также кибернетики (включая теорию информа ции, теорию автоматического управления, электронику). Теоретическая ро бототехника представляет собой пример впечатляющих результатов междис циплинарного взаимодействия. Создаваемые на этой основе технические си стемы способны исследовать не только поверхности удаленных планет и глубины океана, но и внутреннее строение человеческих органов, а также молекулярную структуру органических и неорганических веществ на нано уровне. Робототехнические системы представляют собой устройства, позво ляющие наиболее адекватно смоделировать характеристики и принципы управления, соответствующие некоторым функциям человеческого тела.

Современное состояние науки характеризуется как этап постнекласси ческого развития, предметом которого выступают процессы эволюции и са моорганизации человекоразмерных систем. В этом смысле теоретическая ро бототехника представляет особый интерес, так как изучаемые ею и констру ируемые на ее основе объекты – роботы - подвержены необходимости пре одолевать состояния бифуркации, они должны уметь самоорганизоваться адаптироваться к окружающей среде, к изменению собственных параметров, к перемене выполняемых заданий. Рассматриваемые теоретической робото техникой процессы саморефлексии определяют то обстоятельство, что эта методология работает на самоосознание научного сообщества, и этим обу словлена особая степень человекоразмерности теоретической робототехники (по отношению к другим наукам). В этой связи уместно рассмотреть и само занимающееся этой проблематикой научное сообщество как развивающуюся систему, для которой возможны революционные изменения парадигмы, представляемые как состояния бифуркации.

Человек и робот пребывают в сложных взаимоотношениях. Человек – это творец робота, но в какой-то мере и продукт его. В настоящее время ука занные взаимоотношения подошли к очередной точке бифуркации – проис ходит поворот от промышленного или исследовательского робота, функцио нирующего в среде, исключающей возможность нахождения в ней человека, к антропоморфным самоуправляемым системам, способным функциониро вать в непосредственном взаимодействии с человеком. Здесь важно не упу стить из вида, что «…взаимодействие человека со сложными открытыми си стемами протекает таким образом, что само человеческое действие не явля ется чем-то внешним, а как бы включается в систему, видоизменяя каждый раз поле ее возможных состояний. Отсюда в стратегии деятельности оказы вается важным определить пороги вмешательства в протекающие процессы и обеспечить за счет минимизированного воздействия именно такие направле ния развития системы, которые позволяют избежать катастрофических по следствий и обеспечивают достижение человеческих целей» В этой связи актуальными представляются две проблемы. С одной сто роны, нужно философски осмыслить методологию теоретической робототех ники как одной из самых новых и междисциплинарных наук, определить ис токи, тенденции, бифуркации ее развития, возможности управления этим процессом. На наш взгляд, это осмысление наиболее эффективно можно осуществить на основаниях синергетической парадигмы. При этом важно, «…оставаясь на позициях конкретной науки, использовать ее [синергетики] потенциал как технологию универсалий, реализуемую в практической дея тельности». Степин В.С. Теоретическое знание. М.: Прогресс-Традиция. 2000, с. 695.

Аршинов В.И., Буданов В.Г. Когнитивные основания синергетики. / Синергетическая парадигма. Нелиней ное мышление в науке и искусстве. М.: Прогресс-Традиция, 2002, с. 78.

С другой стороны, сама теоретическая робототехника может внести вклад в обоснование синергетики – прежде всего в плане формирования но вого класса механических моделей для постановки мысленных эксперимен тов, описывающих процессы самоорганизации и условия формирования но вой исследовательской парадигмы. Может быть, это звучит несколько пара доксально, но данные модели позволяют рассмотреть факторы, определяю щие катастрофичность процессов бифуркации, способность системы выйти на более высокую размерность ее функционирования, и в этом смысле можно говорить о возможности моделирования научных революций (безусловно, огрубляя развивающуюся систему), а также о «постнеклассическом механи цизме» (термин принадлежит В.И. Аршинову).

Взаимосвязь обеих проблем обусловлена тем, что исследования в обла сти постнеклассической науки только начаты, намечены лишь самые общие черты этого этапа развития науки. Рассмотрение робототехники как харак терного примера актуально для уяснения черт данного этапа, для системати ческого описания его свойств, анализа и «инвентаризации» проблем. Постне классический вид науки (и в частности теоретическая робототехника) несо мненно обладает мощным потенциалом собственных философских проблем, капиталом эвристически полезных моделей и метафор для других наук (в том числе, возможно, и социально-гуманитарных).

Научное сообщество, занимающееся проблемами робототехники, как и сама теоретическая робототехника подвержены общим закономерностям раз вития эволюционирующих систем, и одной из этих закономерностей являет ся многокритериальность при становлении научных теорий. Рассматривая критерии формирования и выбора теории, можно выделить, по крайней мере три из них – это простота (внутреннее совершенство), это соответствие тео рии опытным данным, и кроме того, может присутствовать еще критерий принадлежности общепринятой парадигме. В процессе эволюции теории претерпевают своего рода естественный отбор сообразно изменяющимся условиям, одно из которых – это наличие новых результатов, обусловленных функционированием существующих парадигм. Целесообразно рассмотреть упомянутый процесс в теоретической робототехнике.

Функционируя в контексте постнеклассической науки, теоретическая робототехника вступает в междисциплинарные взаимодействия с другими отраслями знания, привнося и испытывая парадигмальные прививки (В.С.

Степин). В связи с этим своевременным представляется рассмотрение взаи мосвязи достижений робототехники с идеями виртуалистики как нового направления междисциплинарных исследований в современной науке и практической деятельности. Согласованное действие (синергия) двигателей робота осуществляется благодаря наличию у него встроенной математиче ской модели собственного поведения – некоего «виртуального робота», сле дует учитывать также вероятностный характер предполагаемого движения робота внутри задаваемого «коридора». Виртуальный подход (особенно в плане его компьютерной реализации) может существенно расширить воз можности эффективного синтеза новых технических устройств, в том числе и роботов. Проектировщик еще на стадии предварительного просмотра вари антов может воочию убедиться в преимуществах или недостатках того или иного решения, посмотреть, как будет двигаться предполагаемый механизм.

Наряду с этим робототехника, в частности, различные тренажеры или имита торы способны в значительной степени усилить уровень восприятия вирту альной реальности и взаимодействия с ней, так как тело человека будет пре терпевать и само оказывать соответствующие воздействия сообразно с разви тием сюжета в виртуальном мире.

Исходным пунктом рассмотрения указанных вопросов должно явиться определение места теоретической робототехники в системе постнеклассиче ской науки, затем нужно исследовать процесс междисциплинарного взаимо действия между теорией механизмов и кибернетикой, произошедшего при становлении робототехники. Для исследования процессов самоорганизации в теоретической робототехники далее следует представить робототехнические модели, предназначенные для уяснения черт, присущих процессам бифурка ции, происходящим в период научных революций. Нужно рассмотреть также еще один важный аспект самоорганизации, связанный с многокритериально стью, проявляющейся при формировании и выборе научной теории. Памятуя о постнеклассическом характере теоретической робототехники, далее целе сообразно рассмотреть взаимные парадигмальные прививки между робото техникой и другими отраслями знания, в частности виртуалистикой. Завер шить исследование должно рассмотрение вопросов, связанных с антропо морфностью и проявлениями сетевого мышления в теоретической робото технике.

Исходя из изложенного, тема данного исследования, посвященного теоретической робототехнике как самоорганизующейся эволюционирующей системе, представляется своевременной и актуальной.

Исследования в данной работе были проведены на основе концепции постнеклассической науки3, которая характеризуется междисциплинарно стью, особой восприимчивостью к парадигмальным прививкам вступающих во взаимодействие различных дисциплин, присутствием в ее функциониро вании качественных параметров человекоразмерности, способностью к само организации, возникновением режимов бифуркаций и катастроф.

Многие актуальные идеи по самоорганизации и нелинейному мышле нию (как мы могли бы сказать сегодня) во взаимосвязи с положениями меха ники можно найти в трудах философов Античности и Нового времени: Ари стотеля, Платона, Леонардо да Винчи, Р. Декарта, Ф. Бэкона, Д. Юма, Г.Ф.В.

Гегеля, И. Канта и др. Весьма ценные мысли по бифуркациям человекораз мерных систем содержатся в трудах Г. Башляра, У. Бека, М. Вебера, Э. Гус серля, К. Маркса, Х Ортега-и-Гассета, М. Полани, Г. Спенсера, Ф. Энгельса и др., а также отечественных авторов: В.И. Вернадского, В.Э. Войцеховича, Ф.Ф. Вяккерева, П.П. Гайденко, А.А. Зенкина, Э.В. Ильенкова, Б.М. Кедрова, С.В. Ключевского, В.А. Коваленко, В.И. Ленина, Н.Н. Моисеева, А.П. Шеп тулина, Г.Г. Шпета, Г.П. Щедровицкого, и др.

Степин В.С. Теоретическое знание. М.: Прогресс-Традиция, 2001, 754 с.

Существенное влияние на автора данной работы при формулировании круга рассматриваемых вопросов оказали результаты И.Ю. Алексеевой, В.И.

Аршинова, О.Е. Баксанского, В.Г. Буданова, И.А. Герасимовой, Л.П. Кия щенко, А.А. Коблякова, С.Н. Коняева, М.М. Кузнецова, В.А. Лекторского, Е.А. Мамчур, И.Е. Москалева, А.Л. Никифорова, Б.И. Пружинина, В.Л. Раби новича, В.М. Розина, В.С. Степина, В.В. Тарасенко, П.Д. Тищенко, Б.Г. Юди на, а также личные контакты со многими из указанных исследователей. Важное значение при постановке задач данной работы имели труды в области синер гетики, теории катастроф и бифуркаций, в этой связи упомянем работы В.И.

Арнольда, Ю.Л. Климонтовича, Е.Н. Князевой, С.П. Курдюмова Э. Ласло, К.

Майнцера, Г.Г. Малинецкого, Т. Постона, И.Р. Пригожина, Г.Ю. Ризниченко, И. Стюарта, Р. Тома, Г. Хакена, Д.С. Чернавского и др.

Были проанализированы исследования представителей различных фи лософских школ, которые непосредственно не занимались методологией ро бототехники, но выводы которых, на наш взгляд, можно было применить в рассматриваемой области. Отметим здесь работы Р. Ассаджоли, А. Бергсона, Р. Бэндлера, П. Вацлавека, Д. Гриндера, Ч. Дарвина, Ж. Делеза, А.Г. Маслоу, Ч. Морриса, Ф. Ницше, Ж. Пиаже, П. Рикера, З. Фрейда, Р. Хаббарада, Ю.

Хабермаса, М. Хайдеггера, К. Чапека, А.Л. Чижевского, Т. де Шардена, А.

Шопенгауэра, К.Г. Юнга и др., а также отечественных авторов: И.А. Акчури на, Д.Л. Андреева, Н.А. Бердяева, Л.С. Выготского, Н.И. Козлова, П.А. Ле жебокова, А.Н. Леонтьева, И.Я. Лойфмана, Л.А. Микешиной, В.В. Налимова, З.М. Оруджева, В.Н. Поруса, Д.А. Поспелова, А.И. Ракитова, Р.Е. Ровинско го, В.В. Розанова, М.Г. Розовского, Г.И. Рузавина, М.Н. Руткевича, Ю.В.

Сачкова, Е.Д. Смирновой, К.С. Станиславского, С.С. Хоружего и др.

Важным импульсом в формировании данной работы явились труды ис следователей в области философии науки, причем некоторые из этих ученых, будучи специалистами в различных областях естествознания, смогли рас смотреть проблемы развития науки как бы «изнутри». В данном контексте упомянем работы Н. Бора, Ф. Варелы, Н. Винера, А. Гротендика, М. Ка стельса, Р. Коллинза, У. Матураны, Ч. Морриса, Ч. Пирса, А. Пуанкаре, А.

Уайтхеда, Р. Фистеля, Р. Харре, В. Эбелинга, А. Эйнштейна, А. Энгеля, К.

Ясперса и др., а также отечественных авторов: Г.С. Альтшуллера, И.Б. Бар сукова, Н.П. Бехтеревой, Н.Н. Боголюбова, Н.А. Бульенкова, Е.С. Вентцель, А.Е. Войскунского, Д.Г. Гусева, А.А. Денисова, И.А. Евина, П.Л. Капицы, О.А. Матвейчева, Р.М. Нугаева, А.В. Резаева, В.И. Сергеева, С.А. Титова, Р.Р. Хазеева, С.Ю. Чернакова, М. Эпштейна и др. Особое значение при фор мировании круга вопросов, рассматриваемых в данной работе, имели труды Л. Витгенштейна, Т. Куна, И. Лакатоса, К. Поппера, П. Фейерабенда, Д. Хо фштадтера.

Одной из важнейших отправных точек данной работы явились резуль таты исследователей, занимавшихся механикой, а также теорией механизмов и машин. Здесь упомянем труды А.А. Андронова, И.И. Артоболевского, М.

Атанасиу, Д. Бейкера, А.П. Бессонова, Д. Биннига, И.А. Биргера, А.Н. Бого любова, Р. Болла, Н.Г. Бруевича, Р. Войня, Я.Л. Геронимуса, М. Гольдберга, Д. Даффи, Ф.М. Диментберга, В.В. Добровольского, Е.Н. Ивашова, С. Инно сенти, У. Клиффорда, А.Е. Кобринского, Ю.Г. Козырева, В.О. Кононенко, А.П. Котельникова, А.Ф. Крайнева, Г.В. Кренина, П.Д. Крутько, П.С. Ланды, П.А. Лебедева, Н.И. Левитского, А.М. Ляпунова, К. Мавроидиса, А.П. Ма лышева, Е.Г. Нахапетяна, Ю.И. Неймарка, Я.Г. Пановко, В. Паренти Кастелли, М.Д. Перминова, Л.С. Понтрягина, Л.А. Растригина, Ф. Рело, Л.Н.

Решетова, Г. Рорера, Б. Росса, К. Рота, Ю.Л. Саркисяна, П.О. Сомова, Р.Б.

Статникова, Д. Уитни, К.В. Фролова, К. Фукунаги, К. Ханта, П.Л. Чебышева, Э. Штуди и др.

Развитие теоретической робототехники обусловливает связь механики с теорией автоматического управления и проблемой искусственного интел лекта, поэтому существенное внимание при анализе литературы было уделе но публикациям в этой области, тем более что автор данной работы занима ется исследованиями манипуляторов нового класса, имеющих параллельную структуру. В данной связи упомянем работы И.И. Артоболевского, П.Н. Бе лянина, В.Е. Болнокина, Е.И. Воробьева, М. Вукобратовича, В. Гауфа, В.Г.

Градецкого, Д. Денавита, В.И. Капалина, А.Е. Кобринского, А.Ш. Колискора, М.З. Коловского, А.И. Корендясева, Н.Н. Красовского, А.Г. Лескова, В.С.

Медведева, Д.Е. Охоцимского, Р. Пола, Е.П. Попова, К.А. Пупкова, П. Ра барделя, Д. Стюарта, К. Сугимото, А.В. Тимофеева, Р. Хартенберга, Я.З.

Цыпкина, Ф.Л. Черноусько, П.И. Чинаева, А.С. Ющенко, В.С. Ястребова и др.

Весьма сильное впечатление на автора данного исследования произве ли, результаты, доложенные на последнем по времени Симпозиуме по теории и практике робототехнических систем (2002 г., Италия). Многие из этих ре зультатов связаны с антропоморфными роботами. Отметим здесь работы Ф.

Бидо, Х. Ван Брюсселя, Ж. Виллановы, К Вольхарта, Ж.-К. Гино, Х. Лима, В.

де Сара, Ф. Пфайфера, А. Таканиши, О. Хатиба, В. Шилена, и др.

Подчеркивая степень разработанности предлагаемой в данном иссле довании темы, отметим, что постановка проблемы, связанной с философской методологией теоретической робототехники как человекоразмерной самоор ганизующейся постнеклассической науки, является достаточно новой и акту альной.

Целью данного исследования является: выявить закономерности разви тия теоретической робототехники как самоорганизующейся, эволюциониру ющей, человекоразмерной системы на основе анализа междисциплинарно сти, парадигмальных прививок, бифуркаций, многокритериальности.

Сообразно с поставленной целью в диссертации формулируются сле дующие задачи исследования:

- Определить место теоретической робототехники в системе постне классической науки и выявить закономерности процесса междисциплинарно го взаимодействия между теорией механизмов и кибернетикой, приведшего к возникновению робототехники.

- Определить характер протекания научных революций как процессов бифуркации человекоразмерных систем и разработать для этого наглядные робототехнические модели для постановки мысленного эксперимента.

- Определить закономерности формирования и выбора научной теории в робототехнике во взаимосвязи с многокритериальным подходом, основан ным на паретовских множествах. Рассмотреть взаимосвязь многокритери альности и эволюционизма в робототехнике с учетом условий, определяю щих адаптационные или бифуркационные изменения паретовских множеств.

- Определить характер развития теоретической робототехники во взаи мосвязи с виртуалистикой, используя при этом инструментальный подход.

Установить закономерности осуществления парадигмальных прививок меж ду робототехникой и другими отраслями науки.

- Определить характер развития теоретической робототехники во взаи мосвязи с появлением роботов, имитирующих поведение человека (двуногая ходьба, мимика, игра на музыкальных инструментах). Установить аспекты сетевого мышления в робототехнике с учетом фрактальности процессов ре шения научных задач.

В работе используется сложившаяся в отечественной философии си стема методологического анализа проблем развития науки, методология рас смотрения вопросов междисциплинарности, парадигмальных прививок, мно гокритериальности с использованием положений синергетики, теории ката строф, самоорганизации, бифуркаций. Кроме того, в данной работе развит метод научной интроспекции (рассмотрение процесса решения ранее завер шенных автором научных задач теоретической робототехники), а также ме тод мысленного эксперимента на созданных робототехнических моделях.

Научная новизна данного исследования обусловлена тем, что в нем впервые в отечественной научно-исследовательской литературе представлена концептуальная систематизация идей о закономерностях развития теоретиче ской робототехники как самоорганизующейся, эволюционирующей, челове коразмерной системы на основе анализа междисциплинарности, парадиг мальных прививок, бифуркаций, многокритериальности.

Наиболее существенные результаты, полученные диссертантом, опре деляются тем, что в работе:

- Исследованы методологические особенности теоретической робото техники с точки зрения ее места в системе постнеклассической науки. Рас смотрены аспекты междисциплинарности робототехники с точки зрения пет леобразности развития составляющих ее дисциплин – теории механизмов и кибернетики.

- Разработаны механические (а вернее робототехнические) модели для проведения мысленных экспериментов по выявлению свойств процессов би фуркации и определению возможности управлять этими процессами. Разра ботаны наглядные модели, с помощью которых можно устанавливать неко торые свойства, присущие научным революциям. Данные модели распро страняются на герменевтические акты, а также на «моменты инсайта». Тем самым сформирован новый класс моделей для постановки мысленных экспе риментов, описывающих процессы самоорганизации.

- Рассмотрен многокритериальный подход к проблеме формирования и выбора научной теории. Исследована взаимосвязь многокритериальности и эволюционизма в теоретической робототехнике.

- Рассмотрена «цепочка», связывающая в рамках инструментального подхода методологии теоретической робототехники и виртуалистики. Иссле дован процесс осуществления взаимных парадигмальных прививок на при мере междисциплинарного взаимодействия робототехники и кристаллогра фии.

- Рассмотрены аспекты теории роботов как воплощения математики – формализованного действия во взаимосвязи с появлением роботов, имити рующих поведение человека (двуногая ходьба, мимика, игра на музыкальных инструментах). Рассмотрены аспекты сетевого мышления в робототехнике на примере решения проблем микроманипулирования и нанотехнологий.

В соответствии с полученными результатами сформулированы поло жения, выносимые на защиту:

- Установлено, что теоретическая робототехника представляет собой эволюционирующую систему, требующую для своего описания по принципу дополнительности использования моделей классической, неклассической и постнеклассической науки. Отмечено, что теоретическая робототехника как целостное образование шире суммы составляющих ее частей – теории меха низмов и кибернетики. Междисциплинарность (благодаря синергии степеней свободы и адаптации роботом модели собственного поведения) обеспечила новый уровень разрешения противоречия между требованиями автономности и гибкости (способности работать по множеству программ).

- На основании разработанных моделей показано, что «катастрофич ность» процессов бифуркации (в том числе в моменты научных революций) определяется соотношением между внешними и внутренними силами и «тра екторией» точки приложения внешней силы, а кроме того существуют би фуркации, при которых ни внешние, ни внутренние силы не способны опре делить направление дальнейшего развития. Отмечено, что процесс формиро вания новой парадигмы обусловливается появлением новой подсистемы, ко торая внутри старой структуры вызывает «напряжения», данный период ха рактеризуется хаосом. Для выхода на новую размерность необходимо воз действие, направленное «ортогонально» старой парадигме (это могут быть парадигмальные прививки).

- Показано, что в процессе формирования и выбора научной теории существуют, как правило, три противоречивых (с точки зрения паретовского подхода) критерия: полнота соответствия теории опытным данным, простота теории и принадлежность теории к принятой парадигме. Указанные критерии обусловливают формирование паретовских множеств теорий, а в качестве параметров выступают принимаемые в рассмотрение научные факты. Изме нение значения параметров может приводить к бифуркации и нарушению паретовского множества. Теории, различающиеся на лингвистическом, се мантическом или эмпирическом уровнях, могут переходить из одного разря да различий в другие.

- Отмечено, что «естественный отбор» при формировании парадигмы осуществляется на основе двух главных критериев: простота и максимальная функциональность. Научное сообщество при оценке изобретения или теории руководствуется другими критериями – соответствие достигнутому научно му уровню и степень его превышения. Каждое новое изобретение или науч ный результат изменяет существующее паретовское множество. Если члены множества дополняются новыми, то это адаптационное изменение. Если происходит исключение из множества каких-то его представителей, то это бифуркационное изменение, и возможна смена парадигмы.

- Показано, что теоретическую робототехнику можно рассматривать как инструмент и как орудие. Созданные при участии теоретической робото техники модели виртуальной реальности, производящие обратное воздей ствие на сотворившего их субъекта, расширяют возможности его взаимодей ствия с порождаемой реальностью. Тем самым качественно преобразуется традиционная интерпретация принципа наблюдаемости, что характерно для постнеклассической науки в целом. Этим обусловлены возможности и огра ничения робототехники в порождаемой реальности.

- Установлено, что парадигмальные прививки происходят не односто ронне из одной сферы науки в другую, а взаимосогласованно. При этом пер вично возникают проблемы понимания языков, уточняется постановка задач и происходит подбор методов их решения. Отмечено, что необходимы значи тельные творческие усилия не только для нахождения алгоритма решения вопроса, но и для осуществления герменевтического акта понимания научной проблемы, которое может произойти уже после того, как найден собствен ный путь решения задачи.

- Показана возможность использования алгоритмов, разработанных в теоретической робототехнике (обход состояний бифуркации, управление в них посредством локальных воздействий, принцип исключения состояний бифуркации), в направлении создания антропоморфных самоуправляемых систем, способных функционировать в среде, включающей человека. Для управления эволюционирующими системами (в том числе наукой), в которые встроен человек, характеризующийся творческими потребностями в инсайте, более всего пригоден «принцип кормчего» (Н.Н. Моисеев) - локальное воз действие в состояниях бифуркации.

- Отмечено, что принцип организации сетевого мышления (формиру ющегося, в частности, для решения проблем нанотехнологий) как феномена постнеклассической науки указывает на фрактальность сети, «накрывающей»

проблему, а также на возможности и ограничения робототехники (во взаимо действии с человеком, компьютерами, биороботами). Эти ограничения обу словлены неизбежным отходом от устоявшихся парадигмальных норм и необходимостью акта понимания (переформулировки для узла сети мышле ния) уже существующих алгоритмов - применительно к каждой конкретной ситуации.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов обу словлена темой исследования, связанной с принципами самоорганизации теоретической робототехники. Установленные в диссертации закономерно сти, обусловленные междисциплинарностью и постнеклассическим характе ром теоретической робототехники, призваны повысить эффективность и осмысленность работы конструкторов, инженеров и ученых, занимающихся разработкой и исследованием робототехнических систем.

Разработанные в диссертации модели бифуркационных процессов, проис ходящих при осуществлении творческих актов или научных революций, при званы облегчить постановку мысленных экспериментов для определения свойств самоорганизующихся человекоразмерных систем. Тем самым внесен определенный вклад в развитие методологии изучения указанных систем.

Полученные в диссертации результаты по многокритериальности форми рования и выбора научной теории, а также оценки изобретательского уровня в робототехнике позволяют более эффективно и адекватно проводить экспер тизу изобретений и научных теорий в этой области.

Представленные в работе результаты по взаимосвязи робототехники и виртуалистики, а также по сетевому мышлению в робототехнике дают воз можность обеспечить повышение достоверности восприятия человеком вир туальной реальности (в том числе уяснения свойств проектируемых, но еще не изготовленных устройств), обусловить увеличение эффективности взаи модействия представителей научного сообщества как ячеек единой сети.

Результаты данной работы целесообразно использовать при преподавании в вузах философии науки и техники, а также технических дисциплин (теория механизмов и машин, теория роботов, основы конструирования, прикладная механика, патентоведение, сопротивление материалов и др.).

Апробация полученных результатов осуществлена в процессе чтения лек ций на основе разработанных диссертантом материалов по философии науки, теории механизмов и машин, прикладной механике, патентоведению, читав шихся в Московском государственном текстильном университете, Москов ском государственном индустриальном университете, Ивановской государ ственной архитектурно-строительной академии. Материалы и выводы дис сертации нашли отражение в сообщениях автора на международных научных мероприятиях – VIII и Х Всемирные конгрессы по теории механизмов и ма шин (Прага, 1991, Оулу (Финляндия), 1999);

XIII и XIV Международные симпозиуме по теории и практике робототехнических систем (RoManSy) (За копане (Польша), 2000, Удине (Италия), 2002), XII и XIII Международные симпозиумы по динамике сильнонелинейных виброударных систем (Москва, 1998, 2001), V Международная конференция по проблемам колебаний (Москва, 2001), Международная конференция по промышленным роботам РОБКОН – 5 (Варна (Болгария), 1989), Национальный симпозиум по про мышленным роботам (Бухарест (Румыния), 1991) V Всесоюзное совещание по робототехнике (Геленджик, 1991), VI Всесоюзная конференция по управ лению в механических системах (Львов, 1988) и др. Результаты диссертации докладывались на Ученом совете Института машиноведения РАН, в секторе Философских проблем междисциплинарных исследований Института фило софии РАН, секции кибернетики Центрального дома ученых РАН, на семи нарах по робототехнике и теории механизмов, руководимых акад. Д.Е.

Охоцимским, проф, Н.И. Левитским, проф. Ф.М. Диментбергом, проф. Е.Г.

Нахапетяном, на семинарах по философии науки, руководимых проф. В.И.

Аршиновым, проф. М.М. Кузнецовым. Основные результаты исследования нашли отражение в публикациях автора (две монографии, а также ряд статей и изобретений).

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ РОБОТОТЕХНИКА ВО ВЗАИМОСВЯЗИ С ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКИМ И МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫМ ХАРАКТЕРОМ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ В данной главе ставится задача рассмотреть теоретическую робототех нику с точки зрения возможного соотнесения ее с методологией классиче ской, неклассической или постнеклассической науки. Научная робототехника является продуктом объединения теории механизмов и кибернетики. Обе эти дисциплины можно считать подпадающими под эгиду классической науки, однако в результате объединения должно возникнуть нечто большее, чем их формальная «сумма». Необходимо рассмотреть, какие задачи пришлось ре шать двум упомянутым отраслям знания для обеспечения их эффективного взаимодействия.

Далее целесообразно проанализировать, как сказывается наличие воз можных парадигмальных прививок на изменении характера теоретической робототехники – дело в том, что физика в ХХ веке приобрела черты неклас сической науки, и это не могло не отразиться на робототехнике.

С развитием данной научной дисциплины она может приобрести также черты постнеклассической науки. Данное предположение обусловлено тем, что робот как техническое устройство наиболее полно отвечает принципам антропоморфности. Указанный аспект также следует подвергнуть исследова нию.

В главе также ставится задача рассмотрения процесса междисципли нарного взаимодействия между теорией механизмов и кибернетикой. Следу ет проанализировать, как должна измениться методология этих дисциплин для обеспечения возможности их совместного функционирования. Кроме то го, целесообразно выяснить, какие онтологические и методологические по следствия повлекло за собой рождение научной робототехники.

1.1. РОБОТОТЕХНИКА И ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКАЯ НАУКА В данном параграфе рассматривается взаимосвязь между научной ро бототехникой и общим контекстом современной науки, которая в настоящее время переживает период постнеклассического развития. Делается вывод, что робототехника несет черты всех трех этапов развития науки: классиче ского, неклассического и постнеклассического – это обусловлено наличием междисциплинарности и парадигмальных прививок.

Робототехника является одной из новейших отраслей науки ХХ века.

Она возникла в результате междисциплинарного взаимодействия между ме ханикой, теорией приводов (электрических, гидравлических или пневматиче ских), электроникой и кибернетикой. Успехи робототехники неоспоримы, однако возникает вопрос, как эта отрасль технической науки связана с маги стральным развитием современной физики, поскольку в ней (робототехнике) используются подходы, выработанные еще классической наукой. На первый взгляд, здесь нет места принципам теории относительности или эффектам квантованного электромагнитного поля.

Но, памятуя о принципе междисциплинарности и наличии парадиг мальных прививок4, мы не можем не предположить, что задачи и подходы, возникающие в робототехнике, не были бы каким-то образом увязаны с про блемами неклассической и постнеклассической науки. Именно эту взаимо связь мы попытаемся осветить в данной работе, имея в виду не только техни ческий, но в какой-то мере и гуманитарный аспекты. Будем предполагать, что, как в любой фундаментальной естественной науке, здесь должны при сутствовать элементы всех трех этапов ее развития: классического, некласси ческого и постнеклассического. Не претендуя на полноту, рассмотрим харак терные черты указанных трех этапов развития науки.

Наука зародилась в древней Греции, что было обусловлено наличием демократического духа, необходимого для научных дискуссий, и провозгла Степин В.С. Теоретическое знание. М.: Прогресс-традиция, 2000, 754с.

шением истины как единственной ценности научных изысканий. Это связано с эпохальным изменением, произошедшим (согласно А. Тойнби) при перехо де от традиционного общества к техногенной цивилизации – возникновение новой системы ценностей. Наука изучает все в человеческом мире с особого ракурса предметности, выходя в то же время за рамки предметных структур производства и обыденного опыта5.

Наука начинается с момента появления теоретического знания, кото рое, наряду с эмпирическими правилами, позволяет получать эмпирические зависимости из теоретических постулатов. Евклидова геометрия – первый образец научной теории, но в тот момент еще не появилось теоретическое естествознание, поскольку древние греки не воспринимали эксперимент как путь познания природы. Лишь в эпоху Возрождения возникает мысль, что природе можно ставить теоретические вопросы и получать на них ответы пу тем эксперимента6.

Галилей впервые обратил внимание на важность эксперимента, а Ф.

Бэкон и Декарт заложили основы исследовательской программы, опираю щейся на опытные данные. Ньютон и Лейбниц создали новую математику – дифференциальное и интегральное исчисления, без которых не могли бы быть сформулированы постулаты классической механики – законы Ньютона.

Затем усилиями Даламбера, Лагранжа, Гамильтона, Якоби была разработана аналитическая механика, принявшая наиболее строгий (с математической точки зрения) вид. Механика в XVIII, XIX веках была доминирующей наукой, так Р. Бойль пытался применить принципы механики в химии, а «...идея мира как упорядоченной механической системы явно довлела над умами творцов американской конституции...»7.

Чертами классической науки являются четкое разделение между дис циплинами, между субъектом и объектом;

подчеркнутая беспристрастность, провозглашаемая научной этикой;

объективность, обусловленная правилами Там же. с. 20, 42, 53.

Там же. с. 58, 74, 76.

Там же. с. 120, 585, 586.

индукции;

практическая направленность, опирающаяся на опыт. Одним из самых видных математиков XVIII в. был Эйлер, который, занимаясь многими проблемами техники, в частности, вывел кинематические и динамические уравнения вращательного движения твердого тела – эти уравнения впослед ствии приобрели особое значения для описания динамики манипуляторов.

Классической науке не удалось свести все взаимодействия к осевым воздей ствиям материальных точек друг на друга – исследования Фарадея и Макс велла привели к возникновению понятия поля, однако это не поколебало устои классической механики.

Неклассическая наука возникла в результате кризиса физики конца XIX начала XX в., это связано с появлением теории относительности и кван товой механики. Квантовомеханическое описание характеризуется тем, что в нем теоретические характеристики объекта даются через ссылки на характер приборов, на существенные взаимодействия между ними и атомными объек тами. В физике сформулированы принципы наблюдаемости, соответствия, инвариантности, обеспечивающие объективность теоретического знания о микрообъектах с квантованными свойствами, при этом «...измерения кванто вых систем не являются повторимыми, но являются предсказуемыми», в частности «...Гейзенберг показал, что взаимодействие электрона с квантом света не позволяет одновременно со сколь угодно большой точностью уста новить его координату и импульс»8.

Все в большей степени проявляются междисциплинарные взаимодей ствия и парадигмальные прививки, причем «...для отыскания законов новой области явлений берут математические выражения близлежащей области, которые затем трансформируют». В соответствии с этим в квантовой теории сначала создавался формализм, описывающий свободные квантованные по ля, а затем на этой основе строился аппарат, характеризующий взаимодей ствия полей. Физик-теоретик ХХ века относится к существованию различных математических описаний одних и тех же объектов как к норме, осознавая, Там же. с. 247, 396, 449, 575.

что наличие разных математических формулировок одной теории есть усло вие прогресса исследований9.

Во второй половине ХХ века наука все более приобретает постнеклас сический характер, что связано со всеобщей компьютеризацией, возникнове нием сети Интернет и виртуалистики, появлением теорий самоорганизации, катастроф, синергетики. Постнеклассический этап характеризуется тем, что «...наука перешла к изучению нового типа объектов – саморазвивающихся систем (в отличие от простых и саморегулирующихся систем, которые изу чались на предшествующих этапах развития науки)». В рассмотрение вво дятся такие свойства объектов, как системность, иерархичность, человеко размерность. Большие системы «...характеризуются уровневой организацией, наличием относительно автономных и вариабельных подсистем, массовым стохастическим взаимодействием их элементов, существованием управляю щего уровня и обратных связей, обеспечивающих целостность системы», объект в данном случае рассматривается «...как процесс, воспроизводящий некоторые устойчивые состояния, и изменчивый в ряде других характери стик»10.

В науке особое значение приобретают комплексные программы иссле дований, реализация которых «...порождает особую ситуацию сращивания в единой системе деятельности теоретических и экспериментальных исследо ваний, прикладных и фундаментальных знаний, интенсификации прямых и обратных связей между ними». Указанные программы можно рассматривать как некие «человекоразмерные» комплексы, примером которых могут слу жить «...медико-биологические объекты, объекты экологии, включая биосфе ру в целом, объекты биотехнологий,...системы «человек-машина» (включая сложные информационные комплексы и системы искусственного интеллек та) и т. д.»11.

Там же. с. 389, 426, 615.

Там же. с. 662, 624, 625.

Там же. с. 627, 681.

Указав на этапы развития науки, прежде всего физики, хотелось бы подчеркнуть, что постнеклассический характер современных теоретических построений вовсе не обусловливает полное исчезновение черт, присущих бо лее ранним стадиям указанного процесса. В особой степени это должно ка саться робототехники, поскольку она объединяет в себе сведения и методы из технических, естественных и гуманитарных наук. Робот должен совершать движения подобно человеку, кроме того ему необходимо хранить и перера батывать информацию, планировать свои действия сообразно с поставленной целью. Создавая робот как упрощенную, загрубленную копию себя самого, человек в некоторой мере совершает акт самопознания. Кроме того, роботы позволяют облегчить осуществление принципа наблюдаемости – эти устрой ства исследуют поверхности планет и глубины океана, а будучи выполнены в миниатюрных масштабах (такие проекты имеются), они способны проникать даже в кровеносные сосуды человека.

Рассматривая некоторые (далеко не полные) сведения из истории робо тотехники, прежде всего сошлемся на приводимое Д. Хофштадтером упоми нание о том, что в 1754 г. теолог И. М. Шмидт написал об играющей на флейте статуе, которая «...подносит флейту к губам и затем ее опускает, дви гает глазами и т.д.» И. М. Шмидт далее указывает: «Однако никто еще не изобрел образа, который бы думал, желал, сочинял или делал бы что-либо отдаленно подобное» и вступает в спор с «чемпионами Материализма», под которыми следует понимать Ж.О. де Ламметри, придворного философа Фри дриха Великого и автора книги «Человек как машина». Хотя с тех пор про шло более двухсот лет, но, по выражению Д. Хофштадтера, битва между сто ронниками двух упомянутых концепций еще в полном разгаре12.

Историки робототехники выделяют две линии предыстории возникно вения роботов13. Первая линия связана с созданием устройств (не обязатель но автоматических), так или иначе имитирующих органы движения человека Хофштадтер Д. Гедель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда. Самара: Изд. Дом «Бахрах-М», 2001, с. 28.

Барсуков И.Б. Развитие манипуляционных систем и конструктивных компоновок промышленных роботов СССР. //Актуальные вопросы промышленной робототехники. М.: МЦНТИ, ИМАШ РАН, 1989, с. 4-21.

(одно из первых таких устройств упомянуто в приведенной цитате). Еще в XIX в., в частности, появились паровые экскаваторы, современная схема ко торых достаточно известна. Они имеют четыре степени свободы (независи мые движения) – один шарнир с вертикальной осью и три других с парал лельными горизонтальными осями. Но этот манипуляционный механизм, со держащий аналоги плеча, предплечья и кисти, не обладает возможностью программирования и, более того, все степени свободы управляются по от дельности соответствующими рычагами.

Во второй четверти ХХ в. возникают станки с числовым программным управлением, а затем так называемые обрабатывающие центры с достаточно сложным относительным движением между обрабатываемой деталью и ин струментом, что обеспечивается наличием системы управления. Эти техни ческие системы снабжаются устройствами для загрузки-выгрузки деталей, совершающими несложные манипуляции. Для массового производства одно типных изделий создаются автоматические и роторные линии, в которых ав томатизированы не только обработка, но и перемещение деталей между станками. Однако в этих системах весьма сложно обеспечить гибкость изме нения выполняемых операций.

Вторая линия предыстории робототехники связана с разработкой устройств для хранения и переработки информации, призванных обеспечить перепрограммирование автоматов, а также устройств и методов управления приводами. Первые приспособления этого назначения были выполнены в ви де кулачковых механизмов или перфолент, например это ткацкий станок Ж.

Жаккара, послуживший своеобразным прототипом для проекта Ч. Бэбиджа и А. Лавлейс по созданию механического компьютера.

Одним из первых устройств для автоматического поддержания посто янства скорости вращения явился регулятор паровой машины Уатта, затем были разработаны разнообразные методы и средства управления приводами.

Например, таковым средством является электромашинный усилитель, содер жащий генератор и двигатель. Это довольно громоздкий агрегат, предназна ченный для решения единственной, но важной задачи – управление стацио нарно установленным электродвигателем постоянного тока.

В теории автоматического управления в качестве основного регулиру ющего элемента при линейной постановке задачи (в малых отклонениях) бы ла выявлена отрицательная обратная связь, коэффициент усиления которой определяет устойчивость системы и быстроту отработки управляющего сиг нала. Условия устойчивости нелинейных систем (коими при ближайшем рас смотрении оказываются все системы) были впервые сформулированы А. М.

Ляпуновым, эти условия впоследствии приобрели особое значение для управления роботами.

Первыми робототехническими устройствами (в том смысле, что они имитировали человеческую руку и давали возможность перепрограммирова ния) считаются патенты С. Кенварда и Д. Дэвола (1954 г., США). Однако раньше возникли копирующие манипуляторы, предназначенные для работы с радиоактивными материалами и содержащие по две механические «руки», одна из которых связана с рукой человека-оператора, а другая манипулирует в опасной среде, полностью повторяя движения первой. Это устройство не способно работать по собственной программе, но все степени свободы здесь управляются одновременно, и в этом смысле данный объект ближе к удовле творению принципу органопроекции Э. Каппа, согласно которому все эле менты и свойства механизмов так или иначе отражают свойства элементов человеческого тела или психики14.

Однако первые автоматические манипуляторы, в отличие от человече ской руки, содержали поступательные кинематические пары – сочленения, позволяющие сопрягаемым звеньям перемещаться линейно друг относитель но друга (как если бы предплечье выдвигалось из плеча). Иногда высказыва ется мнение, что этот факт связан с трудностями решения задач о положени ях для антропоморфных схем. Но затем, с появлением более совершенных средств и алгоритмов вычисления, возникают ангулярные, антропоморфные Философия техники: история и современность. М.: Ин-т философии РАН, 1997, с. 20.

схемы (без поступательных пар). В настоящее время открытые, незамкнутые кинематические цепи (как у человеческой руки) все более уступают место многократно замкнутым так называемым параллельным структурам, имею щим более высокие показатели по точности и грузоподъемности.

Системы и алгоритмы управления роботами также имеют свою исто рию – от упомянутых копирующих манипуляторов до роботов с адаптивным управлением и элементами очувствления, но об этом подробнее будет сказа но ниже.

Каковы же черты классической науки, которые мы можем обнаружить в теоретической робототехнике? Рассматривая этот вопрос, позволим себе привести некоторые математические формулы. Это делается вовсе не для их досконального уяснения, а для ознакомления с самой формой записи, по скольку известно, что последняя в известной мере влияет на результат – «...математические средства активно участвуют в самом создании абстракт ных объектов теоретической схемы, определяют их признаки»15.

Прежде всего, достаточно очевидно, что мы можем пользоваться урав нениями механики, основанными на законах Ньютона. Для того, чтобы спро ектировать робот, а затем управлять им, у нас должна быть математическая модель, опирающаяся, например, на уравнения Лагранжа или общие уравне ния динамики – уравнения Даламбера-Лагранжа16. Есть и другие подходы упомянем, например, эффективность винтового исчисления917 при описании робототехнических систем, большинство из которых имитируют человече скую руку.

Схема одного из роботов-манипуляторов приведена на Рис.1.1.1 - это робот “Puma” фирмы Unimation с открытой (незамкнутой) кинематической цепью. Он может представлять как левую, так и правую руку, причем три первые, наиболее близко расположенные к основанию кинематические пары (шарниры) «отвечают» за позиционирование выходного звена (схвата), три Степин В.С. Теоретическое знание. М.: Прогресс-традиция, 2000, с. 117.

Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.П. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы. М.:

Наука, 1978, 400 с.

Диментберг Ф.М. Теория пространственных шарнирных механизмов. М.: Наука, 1982, 336 с.

последние пары обеспечивают ориентацию схвата. Звенья манипулятора (твердые тела, соединяемые шарнирами) играют роль соответственно плеча, предплечья и кисти руки человека. Безусловно число степеней свободы этого устройства гораздо меньше числа степеней свободы человеческой руки, од нако наличие некоторой аналогии налицо.

Одним из существенных моментов, связывающих робототехнику с классической наукой, является математическое моделирование приводов ма нипулятора, в частности для упомянутого устройства – это электрические приводы. Здесь используется представление электродвигателя, основанное на уравнениях Максвелла, хотя при расчетах эти уравнения несколько упроще ны. Например, для двигателя постоянного тока принимается, что момент прямо пропорционален току, тогда как на самом деле возможны режимы насыщения, связанные с максимумом магнитного потока.

Рассмотрим, каким образом в рамках классической науки составляется математическая модель робота (Рис. 1.1.1) для решения задач синтеза или управления. Кинематику и взаимное положение звеньев манипулятора мож но описать с помощью так называемых матриц Денавита-Хартенберга18. Од но звено в общем виде может быть представлено четырьмя параметрами (Рис. 1.1.2). Три из упомянутых параметров постоянны, а один соответствует изменяемой с помощью привода обобщенной координате (угол поворота в шарнире – ). Постоянные параметры: длина звена – а, расстояние между осями соседних звеньев – b, угол между осями соседних шарниров –.


Этот элемент кинематической структуры (звено) описывается пере множением матриц ВА (порядок перемножения важен, так как от него зави сит результат), куда входят все упомянутые величины:

cos sin 0 1 0 0 a 0 cos sin 0 sin cos 0 A B,.

0 sin cos 0 0 0 1 b 0 0 0 1 0 0 0 Denavit J.J., Hartenberg R.S.A. Kinematic Notation for Lower Pair Mechanisms Based on Matrices./ Tr. ASME, Ser. E, J.

Appl. Mech., 1955, v.22, No 2, p. 215-221.

Такие матрицы, составленные для каждого звена, путем их перемножения могут задать взаимное положение звеньев манипулятора, в частности того, который изображен на Рис. 1.1.1.

Примечательно, что в указанных матрицах Денавита-Хартенберга при сутствуют величины разной размерности – это безразмерные синусы и коси нусы углов, а также длины звеньев, измеряемые в метрах или дюймах. Такое совмещение очень эффективно с точки зрения компьютерных вычислений, и оно становится возможным в результате наличия последней «малопримет ной» строки: 0, 0, 0, 1. Однако математическая основа здесь традиционна – тригонометрические преобразования известны со времен Евклида и Пифаго ра. Если же говорить о скоростях и ускорениях, то потребуются элементы дифференциального исчисления, а этот аппарат существует с XVIII века.

Матричное представление важно для математического описания мани пулятора, используемого при управлении последним - это можно сделать на базе представленных матриц. Наличие математической модели, применяемой для управления – важное свойство робототехнических систем. Вновь заме тим, что никто не упоминает об обычном экскаваторе как о роботе, хотя там налицо открытая кинематическая цепь с несколькими степенями свободы. У экскаватора нет собственной системы управления, нет «встроенной» в систе му управления математической модели, поэтому данное устройство не отно сят к робототехническим системам.

На основе матриц Денавита-Хартенберга можно решить необходимую при управлении задачу о положениях. Прямая задача заключается в опреде лении положения подвижной координатной системы x’y’z’, связанной со схватом, в неподвижной системе xyz, связанной с основанием. Известными считаются обобщенные координаты (углы поворота в шарнирах). Эта задача решается простым перемножением матриц, в отличие от обратной задачи, представляющей наибольший интерес при управлении и приводящей в об щем случае к системам нелинейных уравнений.

Что касается описания скоростей и ускорений, то здесь может быть со ставлена так называемая матрица Якоби, которая показывает, как компонен ты абсолютной скорости выходного звена (их шесть – три проекции скорости начала подвижной системы координат и три проекции вектора угловой ско рости) связаны с обобщенными скоростями (скоростями изменения обоб щенных координат). Эта задача приводит к системе линейных уравнений.

Для постановки задач динами (прямой и обратной) снова можно вос пользоваться матричной формой записи, которая отражает уравнения движе ния твердых тел. Указанные уравнения могут быть основаны на принципе Даламбера (движущаяся система находится в равновесии, если ко всем ак тивным силам и реакциям связей добавить силы инерции), уравнениях Ла гранжа или Даламбера-Лагранжа (на любом бесконечно малом перемещении сумма работ всех сил, включая силы инерции, равна нулю). Здесь должны учитываться инерционные характеристики звеньев (массы и моменты инер ции), а также кинематические параметры (обобщенные координаты, скорости и ускорения). Приведем вид подобной записи19:

A(q)(d2q/dt2)=B(q, dq/dt)(dq/dt) + C(q)MB0 + D(q)(G0 + FB0) +.

Здесь жирными буквами обозначены матрицы: q – это обобщенные коорди наты (в данном случае принято обычное для аналитической механики обо значение, поскольку в общем случае обобщенными координатами могут быть не только угловые, но и линейные перемещения), (dq/dt), (d2q/dt2) – соответ ственно обобщенные скорости и ускорения;

A(q), C(q), D(q), - матрицы, ко эффициенты которых зависят от обобщенных координат;

B(q, dq/dt) – матри ца, коэффициенты которой зависят от обобщенных координат и скоростей;

MB0, FB0 – внешние силовые факторы, G0 – силовые факторы, определяемые весом, – обобщенные усилия (управляющие силы или моменты).

Медведев В.С., Лесков А.Г., Ющенко А.С. Системы управления манипуляционных роботов. М.: Наука, 1978, 416 с.

Указанное матричное уравнение, распадающееся на шесть скалярных уравнений (для манипулятора с шестью степенями свободы), должно быть дополнено уравнениями, отражающими динамику приводов. В частности, для электроприводов следует учесть наличие индуктивности и внутреннего сопротивления обмоток, а также противо-Э.Д.С. (электродвижущая сила), которая пропорциональна угловой скорости вращения ротора.

Указанным требованиям удовлетворяют уравнения Лагранжа Максвелла20, которые, очевидно, являются продуктом междисциплинарно сти:

u = irя + Lяdi/dt + Ce;

Jd/dt = iKф – Mc.

Здесь напряжение u, определяемое несоответствием задаваемого угла пово рота в шарнире * и действительного угла (за вычетом противо-Э.Д.С. дви гателя Ce) приравнивается сумме падения напряжений на активном сопро тивлении обмотки якоря irя, и на его индуктивности Lяdi/dt. Угловое ускоре ние, умноженное на момент инерции Jd/dt, считается равным разности ак тивного момента Мд = iKф, пропорционального току в якоре, и момента со противления Mc.

Данные дифференциальные уравнения преобразуются в операторную форму, при этом используется преобразование Лапласа, приводящее к тому, что операции интегрирования и дифференцирования заменяются умножени ем и делением. Это позволяет упростить и сделать наиболее наглядным син тез системы управления, обеспечивающей желаемые показатели по устойчи вости и точности отработки требуемых движений. Структурная схема, соот ветствующая приведенным дифференциальным уравнениям, изображена на Рис. 1.1.3.

Такую форму записи этих уравнений широко используют в научной и инженерной практике, чтобы при назначении коэффициентов отрицательных Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин Учеб. пособие для вузов. /4 изд., перераб. и доп., М.:

Наука, 1988, 640 с.;

Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1990, 592 с.

обратных связей по скорости (K) и по углу (K) (Рис. 3.), а также коэффици ента усиления тиристорного преобразователя (Kу) обеспечить желаемые по казатели по устойчивости и по точности отработки требуемых движений.

Устойчивость линейной системы удобно рассмотреть на основании критерия Найквиста. Для его использования строят АФЧХ - амплитудно-фазовую ча стотную характеристику (Рис.1.1.4), разомкнув главную обратную связь.

Каждой частоте входного сигнала соответствует вектор, показывающий, на сколько отличается выходной сигнал от входного по фазе и амплитуде.

Согласно критерию Найквиста, замкнутая система устойчива, если го дограф (траектория конечной точки) вектора амлитудно-фазовой частотной характеристики соответствующей разомкнутой системы не охватывает точку –1, 0. Физически это означает, что при некоторой частоте воздействия (ча стоте среза) система «сдвигает» сигнал на 180о, в этом случае амплитуда на выходе не должна быть больше амплитуды на входе, в противном случае бу дет «неограниченное» нарастание процесса.

Таким образом, задачи робототехники, на первый взгляд, представля ются вполне соответствующими классической науке. При этом подчеркнем еще раз роль междисциплинарности, которая обусловила постановку ряда новых задач и разработку алгоритмов их решения как в механике (задачи о положениях, матричная форма уравнений движения твердых тел с учетом характеристик приводов), так и в кибернетике (рассмотрение законов управ ления многосвязанными системами со многими степенями свободы). В дан ной научной области стало трудно и даже невозможно разделить эти дисци плины: механику и кибернетику, которые в совокупности обусловили новую науку – робототехнику, представляющую собой нечто гораздо более слож ное, чем просто формальная «сумма» составляющих ее дисциплин.

Вместе с тем уже при постановке задач в рамках классической науки мы наблюдаем отход от полной линеаризации. Даже при указанной идеали зации характеристик двигателей, устройств измерения и управления получа ются системы нелинейных дифференциальных уравнений, коэффициенты которых зависят от обобщенных координат и скоростей. Данный факт озна чает, что решение возможно только в численном виде, это касается и кинема тической задачи о положениях, приводящей также к нелинейным уравнени ям. Нелинейность возникает потому, что совокупность линейных систем с одной степенью свободы каждая при объединении дает систему со многими степенями свободы, характеризующуюся сложной многосвязанной структу рой и взаимовлиянием между подсистемами.

Обращаясь к схеме Рис.1.1.3, мы должны будем учитывать, что приве денный к валу двигателя момент инерции J станет переменной величиной, кроме того будет действовать «внешний» по отношению к данной степени свободы момент Mc, зависящих от других обобщенных координат и скоро стей. Рассмотренный «удобный» критерий Найквиста в чистом виде стано вится неприменимым, и, таким образом, мы приходим к необходимости рас смотрения нелинейных постановок, а это уже «прерогатива» неклассической науки. При управлении роботом приходится в реальном времени (в процессе движения) измерять или вычислять параметры, определяющие указанное взаимовлияние, и вводить их в алгоритм управления, основанный, в частно сти на схеме Рис. 1.1.3.

Нелинейные эффекты проявляются в еще большей степени, если более досконально изучить элементы, входящие в структуру робототехнических систем. Так, представленный на Рис. 1.1.3 тиристорный преобразователь с коэффициентом усиления Kу при определенных условиях может попасть в зону неустойчивой работы. Дело в том, что это устройство представляет со бой выпрямитель, преобразующий трехфазное переменное напряжение в пульсирующее, сглаживаемое с помощью дросселей. Тиристор – это управ ляемый диод, открытие которого определяется соответствующим импульсом.


Если фазовый угол открытия тиристора мал (большую часть периода он за перт), то наступает неустойчивый нелинейный режим.

Тахогенератор (K), обеспечивающий обратную связь по скорости, представляет собой встроенный в сочленение генератор постоянного тока, напряжение которого пропорционально скорости вращения. Но и это устрой ство при более строгом рассмотрении также нельзя считать безынерционным звеном с постоянным коэффициентом усиления – у него есть собственная ха рактеристика, частотная полоса пропускания, он вносит шум в сигнал.

Принятое положение, что момент в двигателе пропорционален току якоря, также выполняется лишь в определенных пределах – затем наступает режим насыщения, магнитный поток достигает максимума, и увеличение то ка не приводит к росту момента. Отметим также возможность люфтов в ки нематических парах, что обусловливает некоторую зону нечувствительности.

Наличие полосы пропускания характерно для каждого устройства, вхо дящего в рассматриваемую систему. Наиболее наглядно это можно предста вить, рассматривая акселерометр – прибор для измерения линейного ускоре ния (он часто применяется для испытаний роботов и для постановки задач технической диагностики). В простейшем виде – это грузик, прикрепленный к пружинке, удлинение которой l пропорционально приложенной силе (Рис.

1.1.5).

При наличии ускорения а (согласно второму закону Ньютона) имеется пропорциональная ускорению и массе сила инерции, и грузик отклоняется на некоторое расстояние l, подлежащее измерению. Однако, на самом деле это устройство представляет собой колебательную систему, имеющую собствен ную частоту колебаний. При приближении к этой частоте будет наблюдаться резонанс (рост амплитуды колебаний), и речь, безусловно, уже не может ид ти об использовании этого прибора для измерения внешнего ускорения.

Этот пример можно сопоставить с тезисом, что «...Экспериментально измерительные процедуры физики всегда основаны на некоторых явно или неявно принимаемых допущениях относительно особенностей проводимого исследования», например, «...использование баллончика со ртутью в качестве средства измерения температуры возможно потому, что при этом соблюда ются признаки коррелятивности, трансляции и регистрируемости состояния, которое приобретает данное пробное тело при взаимодействии с измеряемым объектом».21 Здесь мы сталкиваемся с понятием материально-технической стороны факта, (А.Л. Никифоров22), связанным с совокупностью материаль ных условий, обеспечивших получение экспериментального результата. По становка эксперимента требует не только предварительных теоретических знаний об исследуемом объекте, но и вызывает необходимость анализа взаи модействия этого объекта с измерительными устройствами. Тем самым под тверждается положение, что любая физическая величина и измеряющее ее устройство, в частности, в робототехнической системе входят в то или иное взаимодействие, результатом которого становится некоторая оценка, кото рую в дальнейшем и используют для вычислений и управления.

Кроме изложенного, «неклассичность» весьма выпукло проявляется в следующих двух аспектах: это относительность определения положений и скоростей звеньев манипулятора и это квантование информации, которую можно получать о состоянии робототехнической системы.

Что касается относительности, то при более пристальном рассмотрении матрицы Денавита-Хартенберга можно видеть, что она связывает положения двух координатных систем (в частности сопряженных с основанием и вы ходным звеном) через обобщенные координаты (углы поворота в шарнирах).

Но дело в том, что обобщенные координаты мы в состоянии измерить лишь весьма приближенно. Вообще в метрологии достаточно четко указано, что любое измерение – это всего лишь сравнение некоторой эталонной меры и соответствующего объекта23. Чем точнее мы измеряем (а в данном случае измерения, как правило, косвенные), тем менее широк тот интервал, внутри которого располагается соответствующая величина, точное значение которой мы, однако, не можем знать в принципе.

Кроме того, при перемножениях матриц мы оперируем с геометриче скими параметрами звеньев (Рис. 1.1.2), которые также выполнены с погреш Степин В.С. Теоретическое знание. М.: Прогресс-традиция, 2000, с. 447, 548.

Никифоров А.Л. Философия науки: история и методология. М.: Дом интеллектуальной книги, 1998, 280 с.

Координатные измерительные машины и их применение. /В.-А. А. Гапшис, А.Ю. Каспарайтис, М.Б. Мо дестов и др. М.: Машиностроение, 1988, 328 с.

ностями24, поэтому определяемое положение выходного звена всегда будет приближенным – в этом смысле можно говорить об относительности указан ного определения.

Интересно отметить, что теория точности существовала вначале имен но как линейная теория, в которой рассматривались лишь первые производ ные, связывающие ошибки положения звеньев и погрешности изготовления.

При этом имеющаяся схема механизма заменялась на фиктивную, где веду щее звено было заторможено, а в соответствии с той или иной погрешностью вводилась кинематическая пара. Затем была разработана нелинейная теория, рассматривающая эту проблему в более общей постановке.

Для повышения точности определения положения робота применяются различные подходы, одним из которых является так называемая геометриче ская идентификация. После изготовления механизма весьма точно должны быть определены реальные размеры звеньев, для этого можно после сборки робота протестировать его, подводя к различным эталонным телам в рабочем пространстве. С помощью определенных алгоритмов при этом удается найти искомые «реальные» параметры (слово «реальные» взято в кавычки, так как размеры можно найти опять-таки лишь с той или иной степенью точности).

Найденные отклонения от номинальных значений затем вводятся в алгоритм управления для компенсации систематических ошибок.

Одним из ответвлений робототехники, связанным с данной проблемой, являются координатно-измерительные машины (см. сноску19). Это довольно массивные устройства, выполненные с высокой точностью и предназначен ные не для того, чтобы исполнять транспортные или технологические опера ции, а лишь для измерения взаимного положения тех или иных объектов.

Альтернативным подходом, связанным с решением проблемы относительно сти в робототехнике, призвано стать использование l-координатных измери Бруевич Н.Г., Правоторова Е.А., Сергеев В.И. Основы теории точности механизмов. М.: Наука,1988,238 с.

тельных систем25, которые должны определять положение выходного звена в системе отсчета, связанной с неподвижным основанием.

При использовании данных систем в лабораторных условиях к схвату робота присоединяются шесть тросиков (Рис. 1.1.6), длину которых в процес се движения необходимо измерять. Существуют определенные алгоритмы перехода от длин этих тросиков (l-координат) к абсолютным координатам твердого тела в пространстве (их шесть: три координаты некоторой точки те ла и три угла вращения вокруг указанной точки). В данном случае мы также сталкиваемся с проблемой точности, поэтому измерительная система должна быть тарифицирована. Кроме того, здесь важно определение ошибок, связан ных с наличием роликов, на которые наматываются тросики, а также с при сутствием механической системы, позволяющей тросикам располагаться вдоль отрезков, соединяющих соответствующие точки неподвижного и вы ходного звеньев.

Измерительную систему можно построить по принципам так называе мой инерциальной навигации, когда на движущееся твердое тело устанавли ваются акселерометры, фиксирующие ускорения по шести l-координатам, жестко связанным с телом (А.Ш. Колискор). Ускорения следует измерять, интегрировать и пересчитывать в абсолютные координаты, характеризующие положение тела (например, координаты Декарта-Эйлера). Однако, как отме чалось, акселерометры имеют собственную частоту колебаний, а значит, бу дет наличествовать и полоса пропускания данной измерительной системы, вне которой ее показаниям нельзя доверять.

Идентификация положения необходима роботу сразу после его вклю чения. Упомянутый робот “Puma” всякий раз в начале работы совершает ма лые движения из начальной конфигурации, при этом расположенные в шар нирах датчики положения, дающие импульс при повороте на какой-то малый Колискор А.Ш. Разработка и исследование промышленных роботов на основе l-координат. /Станки и ин струмент, 1982, № 12, с. 21-24.

угол, должны дойти до состояния, где есть «метка», это и даст возможность роботу определить, в какой конфигурации он находится.

Выше был упомянут термин «реальное время», и хотелось бы подроб нее остановиться на «относительности» времени в робототехнике. Суще ствуют довольно употребимые термины «быстрое» и «медленное» время, ко торые используются в задачах, рассматривающих разные виды движений ро бототехнических систем26. В частности, на заданное программное движение манипулятора могут быть наложены малые колебания – в этом случае и при меняются указанные термины. Программное движение происходит как бы в «медленном» времени, и здесь характерны те нелинейные уравнения, кото рые обсуждались выше. Малые колебания, налагающиеся на программное движение, происходят в «быстром» времени, и для их рассмотрения исполь зуются квазилинейные уравнения, меняющие коэффициенты на разных участках траектории.

Остановимся еще на одном аспекте, связывающем робототехнику и не классическую науку. Речь идет о квантовании всех величин, присутствую щих в рассматриваемых моделях. Дело в том, что датчик, отслеживающий, например, изменение обобщенной координаты (угла или линейного переме щения в сочленении), как правило, является не аналоговым устройством, а дискретным. В прошлом были так называемые сельсинные датчики (аналого вые), напряжение на выходе которых пропорционально угловому отклоне нию, а теперь все более внедряются инкрементальные устройства, дающие импульс на некотором малом повороте. Импульсы подсчитываются компью тером, и так осуществляется обратная связь по положению. Мы не можем знать, что происходит с системой в промежутках между этими импульсами.

Безусловно, импульсы довольно часты, поэтому ошибка невелика, однако информация предстает квантованной.

Вукобратович М., Стокич Д. Управление манипуляционными роботами: теория и приложения. М.: Наука, 1985, 384 с.

Точно так же квантованным является и «опрос», который осуществляет управляющий компьютер. Соответствующим образом следует подобрать ча стоты импульсов, на которых происходит работа компьютера и работа изме рительной системы. Квантование свойственно и для работы исполнительной системы. Так, упомянутый выше тиристорный преобразователь – это устрой ство, где тиристор может находиться в открытом либо закрытом состоянии, и соответственно дискретным становится функционирование этого устройства.

Отметим также существование так называемых шаговых двигателей, угол поворота которых определяется числом поступивших импульсов.

Кроме того, итерационным, квантованным оказывается и процесс вы числений. Дело в том, что все упомянутые модели требуют численного под хода к решению, а это означает, что непрерывное время должно быть разбито на дискретные участки, на которых система может считаться линейной. Та ким образом, квантование имеет место и в исполнительной, и в измеритель ной и в управляющей системах. Этот факт может существенно повлиять, в частности, на функциональные возможности робототехнического устройства, поскольку дискретность в теории автоматического управления может тракто ваться как звено чистого запаздывания, способное при определенных услови ях (на достаточно высоких частотах) систему сделать неустойчивой.

Таким образом, несмотря на то, что робототехнические системы как объект изучения изначально подпадают под парадигму классической науки, мы убеждаемся, что в них весьма много проявлений науки неклассической, и этому есть, по крайней мере, две упомянутые ранее причины. Первая из них обусловлена междисциплинарностью робототехники – эта наука, будучи продуктом объединения классической теории механизмов и кибернетики, да ла (в полном соответствии с принципами системности) результат гораздо бо лее сложный и мощный, чем «сумма» составляющих элементов. Другая при чина кроется в наличии неизбежных парадигмальных прививок из других от раслей науки, в частности из физики ХХ века с ее относительностью време ни, принципом неопределенности и квантованием действия.

Но робототехника проявляет и свойства следующего этапа развития науки – постнеклассического. Это можно усмотреть даже в тех же примерах, которые были приведены выше. Свойствами изучаемых постнеклассической наукой объектов являются их системность, иерархичность, кооперативность взаимодействия подсистем, человекоразмерность, возможность бифуркаций и катастроф. Для уяснения наличия этих аспектов в робототехнике рассмот рим этапы и уровни развития систем и способов управления роботами.

Исторически первыми были следящие системы, в которых наличе ствуют два манипулятора. Один из них двигается под действием руки опера тора, а другой манипулятор полностью повторяет движения первого. По скольку движения происходят с незначительными скоростями, то эффекты взаимовлияния между степенями свободы остаются незначительными, и можно использовать независимое управление приводами как обычными сле дящими системами.

Затем возникли так называемые биотехнические системы, в которых оператор управляет некоторой рукояткой (типа известного джойстика, только с шестью степенями свободы) и задает направление линейной и угловой ско ростей. При этом вычислительное устройство должно пересчитывать соот ветствующие указанным скоростям приращения линейных и угловых коор динат выходного звена в приращения обобщенных координат (углов поворо та в сочленениях).

Далее появились программируемые автоматические роботы, где опера тор задает (в обучающем режиме или аналитически) набор точек, в которых должно побывать выходное звено. Затем составляется программа, где указы вается последовательность и скорость обхода точек, а также необходимое время выстоя в каждой из них. Весьма примечательно, что программируемый робот должен сам спланировать свою траекторию27, это весьма интересный Пол Р. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора. М.:

Наука, 1976, 104 с.

вопрос, поскольку здесь следует обеспечить «гладкость» функций изменения скоростей и ускорений.

При этом используются так называемые сплайн-функции: траектория делится на большое количество малых участков, которые должны быть меж ду собой «склеены» таким образом, чтобы не было разрывов функций скоро стей и ускорений и чтобы на каждом участке за отведенное время соответ ствующая обобщенная координата получила бы требуемое приращение. Эта задача решается путем представления законов изменения обобщенных коор динат в виде полиномов, преобразование которых на каждом участке приво дит к системе линейных уравнений относительно коэффициентов этих поли номов – таким образом удается найти требуемый закон изменения указанных гладких функций.

Важно заметить, что уже на этом этапе возникли элементы адаптации в управлении. Как отмечалось, робот имеет внутреннюю модель самого себя, и на основании этой модели он вырабатывает сигналы для своих сочленений.

Но, как мы знаем, эта модель не является абсолютно точной (и не может та ковой являться), следовательно ее нужно корректировать в процессе движе ния. Поэтому появились так называемые алгоритмы адаптивного управле ния28, в которых отслеживается тенденция изменения ошибки движения по траектории и при росте этой ошибки вводятся коррекции в параметры моде ли (хотя структура самой модели не меняется). В этом смысле имеет место адаптация (и некоторый элемент самоорганизации). В данном случае широко используются результаты теории информации и теории автоматического управления, берущие начало от Н. Винера, К. Шеннона, А. М. Ляпунова, Д.

фон Неймана, Л.С. Понтрягина, Р. Беллмана и др.

Следующий этап, который в настоящее время активно развивается, связан с появлением очувствленного адаптивного управления. В частности могут быть роботы с обратной связью по усилию, а также роботы, снабжен Тимофеев А.В. Управление роботами. Учеб. пособие. Л.: Изд. Ленингр. ун-та, 1986, 240 с., Болнокин В.Е., Чинаев П.И. Анализ и синтез систем автоматического управления на ЭВМ. Алгоритмы и программы: Спра вочник. М.: Радио и связь, 1991, 256 с.

ные тактильными датчиками, реагирующими на касание до какого-либо предмета (роботы оснащаются «органами чувств»).

Конструкции датчиков силомоментного очувствления, как правило, основаны на наличии в запястье робота некоторого устройства, имеющего изгибные упругие кинематические пары с достаточно большой жесткостью.

При появлении усилия в соответствующих парах происходит изгиб, измеря емый пьезодатчиками, меняющими свое электрическое сопротивление при изменении формы. Уровень сигнала в рассматриваемом элементе обусловли вает изменение закона управления роботом. Самый простой пример, иллю стрирующий сказанное, связан с установлением порогового усилия, по до стижении которого (в целях защиты от поломок) система управления пре кращает выполнение операции.

Тактильные датчики позволяют обычный робот использовать как коор динатно-измерительную машину (конечно, точность в данном случае не столь велика, но привлекает относительная дешевизна этого подхода). В так тильном датчике сигнал поступает при соприкосновении измерительной го ловки с некоторым предметом, при этом датчики могут быть как односто ронне направленными, так и двух- или трехкоординатными. Конфигурация робота служит информацией о расположении той точки объекта, с которой произошло касание. Набор координат подобных точек будет свидетельство вать о форме и расположении объекта в пространстве.

В систему управления робототехнической системой может быть «встроен» человек-оператор. Как отмечалось, это прежде всего было на тех этапах, когда имели место следящие системы, а также биотехническое управление. Однако система управления может быть выстроена иерархиче ским образом, так что человеку передается управление во внештатных ситу ациях для принятия решения (упомянем хотя бы известный Луноход). Любо пытно указать, что иногда человек в системе управления трактуется как зве но чистого запаздывания.

Предпринятый экскурс в историю развития систем управления робота ми позволяет сделать вывод, что робот – это машина, которая должна в из вестной степени «осознавать» самое себя. В этой машине должна присут ствовать модель (математическое представление о собственной структуре и параметрах), должно быть «осознание» поставленной задачи и контроль за ее исполнением. Этот тезис свидетельствует об антропоморфности рассматри ваемых устройств, особенно, при учете антропоморфности, присутствующей в самой механической структуре данных машин (имитация руки).

Кроме того, можно сделать вывод, что робот – это иерархически по строенная система, поскольку все перечисленные этапы развития принципов управления присутствуют в любом роботе наиболее высокого поколения. На нажнем уровне необходимо иметь сервосистему (двигатели), которая работа ет по принципам следящего привода;

на более высоком уровне имеется вы числитель, который, как и при биотехническом управлении, пересчитывает задаваемую скорость выходного звена в приращения обобщенных координат (углов поворота в сочленениях);

наконец, на высшем уровне необходим ком пьютер, который должен спланировать траекторию на основе сплайн функций.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.