Электронные роботы

Роботы и экспертные системы

Бытовые роботы - Искусственный интеллект

Искусственный интеллект (ИИ) применяется сегодня во многих прикладных областях. Практически все они, может быть, и не так быстро, как хотелось бы, но неуклонно и непрерывно развиваются. В последние годы современные ИТ-технологии совершили очень резкий скачок вперед, в основном за счет повышения производительности массовых процессоров и стремительного удешевления памяти (как оперативной, так и жесткой ). Это привело к появлению приложений, в которых воплощены серьезные теоретические наработки ИИ.

При этом можно отметить две тенденции. С одной стороны крупнейший в мире финансист исследований по ИИ (особенно по робототехнике) – это военное научное агентство DARPA. Современное оружие немыслимо без подходов ИИ (преимущественно нейронных технологий, нечетких экспертных систем и интеллектуальных решателей), позволяющих с помощью относительно малых ресурсов получать достаточно точные результаты, для нахождения которых классическими методами численной математики потребовались бы мощности суперкомпьютеров. Например, реализация режима автономного полета на небольшой высоте в плохих погодных условиях без использования заранее подготовленной компьютерной базы рельефа требует применения высокоэффективных механизмов синхронизации движения с данными, получаемыми от системы навигации GPS, видеокамер, радаров и других датчиков.

В связи с этим состояние определенных направлений в ИИ закрыто от посторонних глаз.

С другой стороны рынок бытовых роботов и интеллектуальных домашних устройств уже сегодня приносит немалую прибыль, а в перспективе это будет огромный бизнес, поэтому коммерческие компании занимаются исследованиями по ИИ своими силами, в чем-то дублируя DARPA и другие подобные организации (хотя, скорее всего, не опережая их).

В настоящем обзоре рассматриваются наиболее значимые события, произошедшие в различных областях ИИ за последние несколько лет. Надо отметить, что основная часть реально используемых систем обычно создается с привлечением разных технологий ИИ, что позволяет существенно повысить качество конечного результата.

Экспертные системы

Создание экспертных систем (ЭС) традиционно считается классическим занятием для специалистов по ИИ. ЭС многократно хоронились, признавались тупиковым направлением, тем не менее компьютеры научились давать советы в конкретных областях человеческой деятельности на уровне хороших экспертов.

Основной акцент в современных ЭС делается на принятии оперативных решений в реальном масштабе времени. Это объясняется нуждами современного бизнеса. Коммерческие ЭС контролируют крупные промышленные процессы, принимают решения по результатам показаний сотен периферийных устройств, управляют большими сетями, распределенными СУБД, подсказывая оператору, как поступить в сложной обстановке, а в критических ситуациях, требующих немедленного решения, берут управление на себя. Достаточно активно развивается и такое направление, как автоматическое накопление знаний, снимающее с человека рутинную работу по качественному анализу различных процессов. Практически все современные системы раскопки данных представляют собой ЭС.

Правда, старая схема ЭС, основанных на системе правил и создававшихся на базе версий Лиспа и Пролога, сегодня не столь популярна, как раньше. Практически во всех коммерческих продуктах применяются более гибкие походы – нечеткие технологии (когда вместо обычной двоичной логики да-нет используется логика с бесконечным числом состояний), Bayesian-сети, учитывающие вероятности перехода узлов в другие состояния, и т. д.

Например, система MOBAL дает возможность строить модель понятия в терминах логических правил и фактов, позволяя с помощью языка поиска похожих объектов Query-by-Similarity в сочетании с нечеткой логикой создавать очень гибкие системы хранения и обработки информации.

Интеллектуальный решатель C-PRS (Procedural Reasoning System in C), написанный на стандарте ANSI C, используется НАСА, в авиапромышленности, в системах управлении перевозками и мобильными роботами. Он переносим, очень компактен и с помощью кросс-платформных компиляторов допускает встраивание практически в любое оборудование.

В России осуществлено несколько внедрений крупной ЭС контроля, управления и моделирования сложных процессов Gensym G2.

Группа адаптивных систем корпорации Microsoft трудится над совершенствованием технологии Office Assistant, которая позволяет отслеживать поведение пользователя и подсказывать ему правильные действия в запутанных ситуациях.

В открытый проект AIOS (http://blkbox.com/~cravey/aios) приглашаются все желающие. Он посвящен созданию ОС с элементами ИИ. В нее будут встроены технологии обработки естественной речи, автоматического решения задач и самообучения.

Коммерческие системы имеют довольно большой ценовой диапазон, и если простые настольные системы стоят несколько сотен долларов, то цена промышленных приложений возрастает в тысячу раз, что свидетельствует об их несомненной востребованности.

Робототехника

При создании домашних автономных устройств подчас возникает больше проблем, чем при создании военных и космических роботов. Хотя в жилых домах не бывает перепадов температур в сотни градусов, а превышение скорости на десятки сантиметров несущественно (что в условиях невесомости может сразу привести к аварии), требование максимальной безопасности значительно осложняет жизнь разработчикам.

Быстрее всего сегодня развивается рынок автономных домашних пылесосов (см. PC Week/RE, № 40/99, с. 4). Такие модели оборудованы навигационной системой и всевозможными периферийными датчиками. Роботы-пылесосы перемещаются по квартире по случайным траекториям, собирая мусор и объезжая статические предметы, и удирают от движущихся объектов (людей и животных). Кроме того, умные пылесосы способны самостоятельно возвращаться на свое место жительства для подзарядки.

Другой перспективный рынок – автономные газонокосилки. Например, фирма Electrolux выпускает косилки, способные подзаряжаться от солнечной батареи, запасаться энергией на ночь и работать практически круглосуточно.

Более совершенные модели интеллектуальных бытовых устройств помимо уборки мусора способны выполнять множество дополнительных функций – например, подносить напитки и тапочки. Робот Cye фирмы Probotics, постоянно подключенный к ПК, дистанционно управляется заложенной в компьютер программой. С помощью удобного визуального инструмента пользователь может, используя план комнат, определить для Cye траектории передвижения, доступные и запрещенные области в квартире. Общение с роботом выполняется по протоколу, содержащему 35 команд и 20 ответных сообщений от робота. Немаловажно, что ПО Cye открыто для совершенствования, позволяет расширять базовые возможности системы и создавать на его основе собственные программы управления роботом. В будущих версиях Cye будет поддерживаться навигационная система GPS, и он сможет передвигаться не только по комнатам, но и на приусадебном участке.

Спрос на подобные устройства растет, и известная компания NEC уже представила модель Personal Robot R100, которая поступит в продажу в 2001 г. Сейчас модель проходит тестирование в исследовательском центре компании, и журналисты уже могли лицезреть, как робот высотой 44 см и весом 8 кг въезжает в комнату руководительницы проекта Йошихиро Фуджито, вращает телеглазом, распознает ее лицо среди лиц других присутствующих и обращается к ней со словами: Мама! Вам что-нибудь надо? . В общей сложности робот способен произносить 300 фраз, понимать сотни команд и различать 10 лиц.

R100 может приносить мелкие вещи, вынимать почту из ящика, включать и выключать телевизор и кондиционер, записывать видеосообщения и передавать их по назначению. Он подключен к ПК и имеет встроенный процессор Intel 486 DX4. На основе этой модели NEC планирует в будущем выпускать робокошек и робособак.

Сотрудники лаборатории ИИ Массачусетского института считают, что робот – это не просто прислуга. Он обязательно должен взаимодействовать с окружающим миром и выполнять социально значимые функции. Исходя из этой посылки, они разрабатывают робота Cog, своим внешним видом и отчасти устройством напоминающего человека. Чтобы придать роботу привычную людям походку, допустимые углы сгибания его рук и ног сделаны примерно равными человеческим. В качестве глаз робота применяются четыре видеокамеры (по две на каждый глаз ), распознающие оттенки серого и имитирующие режим бинокулярного зрения. В ушных раковинах, работающих по принципу локатора, установлены микрофоны, на конечностях и туловище – датчики давления (имитация осязания).

Вестибулярный аппарат моделируется тремя гироскопами, расположенными в голове робота. Единственное, что пока не реализовано по аналогии – обоняние.

Система управления представляет собой сложную иерархию устройств, от периферийных микроконтроллеров управления положением ступни до сети цифровой сигнальной системы обработки видео - и аудиоинформации. В большинство узлов Cog встроены процессоры Motorola 68332 16 МГц, на которых выполняется интерпретатор L (версия Common Lisp). Интенсивная обработки информации происходит в сети промышленных 200 МГц процессоров в ОС реального времени QNX.

Университет Северной Каролины разрабатывает роботов, способных перемещаться в завалах и спасать людей, оказавшихся под развалинами в результате различных катастроф. Робот Moccasin II, напоминающий сегментированного червяка, может проползать в туннелях диаметром 20 см и поворачивать на 90 градусов в любых направлениях, анализируя информацию от видеокамеры с подсветкой и датчиков давления, с помощью которых он ощущает стены и их изгибы. Moccasin II использует не электрический, а пневматический двигатель (потому что электрические искры могут спровоцировать взрыв скоплений газа) и передвигается как обычный червяк – сжимая и растягивая свое тело. Следующие модели робота можно будет без опаски применять при обследовании крупных технологических конструкций (танкеров, самолетов).

НАСА создала робота величиной с небольшой мячик. Он понимает голосовые команды, снабжен видеокамерой, датчиками температуры, давления и газовыми анализаторами и способен самостоятельно путешествовать внутри космических станций, выполняя мониторинг их состояния.

Военная лаборатория США Jet Propulsion Laboratory совместно с японским институтом аэрокосмических исследований наметила на январь 2002 г. первую в истории человечества высадку робота на астероид Nereus (1989ML). Он должен будет собрать образцы грунта и вернуться обратно на корабль. Пока прообраз этого робота представляет собой четырехколесный вездеход весом 2 кг и размером 28 куб. см. Он может поднимать свое тело значительно выше положения колесных осей или опускать его на грунт для взятия проб, подпрыгивать, пробираться в узких туннелях и, что очень важно, переворачиваться со спины на колеса в случае неожиданного неудачного падения. Робот снабжен солнечными батареями, видеокамерой, инфракрасным излучателем и системой связи с посадочным модулем и Землей. Для управления манипуляторами планируется использовать искусственные мускулы на основе электроактивных полимеров. В перспективе для исследования Марса, астероидов и комет этой же командой будут создаваться микророботы весом от 100 до 10 граммов.

Американская Ассоциация по ИИ на Национальной конференции 1999 г. организовала интересный турнир. Согласно его условиям роботы должны были самостоятельно добраться до зала заседаний. Для этого им требовалось выстоять в очереди на регистрацию, подняться по эскалатору, получить цветной баджет на шею , выйти (или выползти) на сцену, в течение 2 минут рассказать о себе и попробовать ответить на простейшие вопросы. При этом учитывалась степень внешней похожести робота на человека. В первом турнире роботы двух университетских команд, добираясь до конференц-зала, пробовали хитрить – один просил окружающих подсказать ему правильное направление движения, а второй легонько подталкивал людей, обращаясь к ним с просьбой отнести его в зал.

Японские ученые, традиционно склонные к миниатюризации, создали робот длиной 1 см и массой в полграмма. Он предназначен для обслуживания АЭС и ТЭС и восстановления поврежденных участков электростанций. Робот способен проникать в поврежденные зоны, проползать по тончайшим трубкам и закрывать пораженные области своим телом.

В медицинском центре государственного университета штата Огайо создан робот-хирург, который имеет видеокамеру и две небольшие руки-манипулятора, а управляет им человек с помощью компьютера. Через небольшие разрезы на теле устройство проникает в сердце, после чего на основании полученной от него видеоинформации компьютер формирует трехмерный образ органа, позволяющий выполнять операцию значительно эффективнее. Хирурги единодушно признали пользу такого устройства.

Военные медики США создали робот для проведения операций в полевых условиях. Им можно дистанционно управлять с любого расстояния. Робот снабжен двумя манипуляторами, на каждом из которых установлено по 7 моторов и еще 14 моторов определяют положение тела. Система передает врачу трехмерное изображение оперируемой области и звуковой фон и обеспечивает обратную связь с хирургом, сообщая ему информацию, связанную с нагрузкой на скальпель. Компьютерный модуль компенсирует естественное дрожание кистей рук человека, повышена точность движений манипуляторов.

Похожие работы проводятся в российском Научном центре сердечно-сосудистой хирургии имени Бакулева РАМН. Используемый там робот также снабжен несколькими манипуляторами, способными держать различные инструменты (скальпель, пинцет и т. д.). Благодаря повышенному числу степеней свободы он может работать в самых неудобных, недоступных для человека положениях. Врач за монитором следит за увеличенной зоной операции и управляет манипуляторами, подавая через компьютер голосовые команды.

Военных в робототехнике интересуют прежде всего автономные летающие устройства для сбора разведывательной информации. Агентство DARPA готово финансировать выпуск беспилотных самолетов, в течение 20–60 мин полета преодолевающих 30–60 км и имеющих при этом массу не более 1 кг, а размеры – 20 см.

Фирма AeroVironment разработала снабженный различными датчиками самолет длиной 7,5 см, который может быть послан на разведку в очень сложных условиях – например, в городе. Пока главной проблемой остается посадка такого самолета, обычно не обходящаяся без поломок. Кроме того, трудно найти небольшой и достаточно мощный двигатель, поэтому фирма рассматривает возможность применения альтернативных (химических) источников энергии. Пока ее самолетик с двухграммовым пропеллером держится в воздухе 16 мин, развивая с попутным ветром скорость 70 км/ч.

Сотрудники лаборатории Вандербилтского университета пошли по другому пути. Они пытаются создать роботы, имитирующие движения насекомых. В них будут применены пьезоэлектрические приводы, используемые в пейджерах и имеющие КПД до 90% (КПД моторов, выполненных по другим технологиям, как правило, составляет около 60%).

Пока военные только готовятся к сражениям без участия людей, энтузиасты уже превратили такие войны в доходный бизнес. В США ежегодно проводится множество состязаний между роботами, цель которых одна – любой ценой замочить противника. В турнире BattleBots сражаются радиоуправляемые роботы, вооруженные молотками и прутьями; в уже шестом по счету конкурсе Fire-Fighting Home Robot Contest автономные роботы стреляют друг в друга, перемещаясь внутри жилого дома; организация Seattle Robotics Society проводит целый турнир для роботов Robothon, в который помимо драк входят такие виды спорта , как сумо, отжимание и т. д.