Научно-технический и военно-политический журнал
"Защита и безопасность"
? 2 (45), 2008

Закономерности развития
мехатроники и робототехники

Виталий Лопота, Евгений Юревич

Мехатроника традиционно воспринимается как часть общего с робототехникой научно-технического направления, которое официально зафиксировано в перечнях как научных, так и учебных направлений. Однако все-таки точнее считать мехатронику и робототехнику самостоятельными областями науки и техники, имеющими некоторую общую подобласть в виде робототехнических систем и их компонентов, использующих принципы и методы проектирования мехатроники.
Мехатроника как синтез электромеханики и микроэлектроники, объединенных общим управлением и оптимизированных по общесистемным критериям, естественно, начала свое развитие с наиболее простого - с создания функциональных компонентов управляемых систем. Прежде всего это были сенсорика и датчики, затем приводы.

Рис. 1. Модульный робот-разведчик для поиска радиоактивных объектов (ЦНИИ РТК).

Для современной робототехники, основным принципом которой является модульное построение, мехатроника стала базой для создания нового поколения модулей - конструктивно унифицированных функциональных компонентов. Первое поколение таких модулей первоначально было разработано в ЦНИИ РТК для обеспечения потребностей СССР в промышленных роботах, а затем нашло эффективное применение при создании роботов для обеспечения работ по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС. На рис. 1 показан пример одного из таких роботов.
В настоящее время это направление становления мехатроники продолжает успешно развиваться в том числе и в робототехнике. Для последней наиболее актуальным является создание следующих типов мехатронных модулей.
1. Модули технического зрения, обеспечивающие распознавание в реальном времени сложных объектов типа лиц человека, не уступающие способностям живых существ и основанные не на традиционном наборе символьных признаков, а на образной обработке информации о внешней среде, как это делается в живом мире.
2. Сило-моментные модули для манипуляторов. Сегодня остро необходимы системы силового очувствления, охватывающие как автоматическое, так и автоматизированное управление от оператора и использующие как многокомпонентные датчики, так и наблюдателей силы.
3. Приводные модули типа 'искусственные мышцы', не уступающие поперечнополосатым мышцам живых организмов прежде всего по массогабаритным параметрам и основанные, например, на электроактивных полимерах, материалах с эффектом памяти формы и т.п.
4. Микросистемные модули энергопитания с на порядок лучшими массогабаритными параметрами по сравнению с современными бортовыми аккомуматорными, топливными и другими источниками электроэнергии, применяемыми в робототехнике.
Создание такой самодостаточной системы модулей - основа для формирования нового поколения средств робототехники. Предстоит оптимизировать номенклатуру этой системы и разработать методику синтеза на ее основе изделий робототехники. Реализация всех аспектов этой задачи займет 3-5 лет и выведет отечественную робототехнику на одно из ведущих мест в мире. В частности, для экстремальной робототехники это позволит перейти от весьма ограниченного типажа специализированных робототехнических систем конкретного назначения к арсеналу модулей, из которых можно, в том числе и непосредственно на месте работы, собирать, а затем и перекомпоновывать уже в ходе самой работы максимально адекватные конкретным задачам и внешним условиям робототехнические системы. Конечно, при этом сохранится и ограниченная номенклатура серийных специальных систем типа роботов-разведчиков, ликвидаторов опасных объектов (радиоактивных, взрывоопасных и т.п.) и ряда специальных технологических систем.

Рис. 2. Модульный робот "Антитеррорист" с рентгеновской системой интроскопии. Справа - пульт управления оператора (ЦНИИ РТК).

На рис. 2 и 3 приведены примеры систем экстремальной робототехники, построенных на опытных образцах базовых мехатронных модулей нового поколения, которые должны стать основой для разработки типоразмерных рядов таких модулей.
Следующий этап симбиоза мехатроники и робототехники, который уже назревает прежде всего в ходе миниатюризации робототехнических систем, - это переход от основанного на декомпозиции модульного построения технических систем к системно оптимизированным единым структурам. Здесь наметилось два направления. Первое аналогично клеточному строению живых организмов. В его основе - многофункциональные ячейки. К этому направлению можно отнести поисковые исследования реконфигурируемых систем из таких ячеек.

Рис. 3. Мобильный робот модульного робототехнического комплекса РТК-05 для радиационной разведки (ЦНИИ РТК).

Второе направление основано на однородных структурах. Этот процесс начался со взаимного проникновения, а затем слияния информационных компонентов в единую структуру, реализующую функциональные компоненты подобно мультиагентным системам в компьютерных сетях. Эта тенденция должна распространиться далее и на силовые компоненты.
Как и при всяком переходе от декомпозиции к общесистемной оптимизации, несмотря на сложности такого синтеза, это сулит значительные технико-экономические выгоды. Например, в области космической робототехники, да и космической техники в целом это позволяет в 2-3 раза улучшить очень важные здесь массогабаритные параметры изделий.
В мехатронике в целом переход от создания мехатронных компонентов технических систем к мехатронным системам означает качественно новый этап ее развития. Действительно, технические системы, созданные из мехатронных компонентов, сами не являются мехатронными системами, т.к. основаны на декомпозиции, а не на общесистемной оптимизации - главном принципе мехатроники.
В области робототехники мехатроника, начав с модульного построения изделий робототехники, продолжает это сотрудничество на новом этапе развития робототехники с переходом от модульного принципа организации к однородным микросистемным структурам.
Наряду с рассмотренными задачами робототехники, решаемыми с помощью мехатроники, робототехнику и мехатронику объединяют и общие тенденции развития техники в целом, которые можно трактовать как общие принципы развития этого комплексного научно-технического направления. Можно выделить пять основных таких принципов: системный подход, поэтапная миниатюризация, унификация функциональных компонентов, интеграция этих компонентов, интеллектуализация с созданием в перспективе искусственного разума.
Первый принцип - это системный подход к созданию техники, т.е. ее синтез на основе общесистемных критериев без декомпозиции. Этот принцип является одним из основополагающих прежде всего для мехатроники, а также для систем экстремальной робототехники, требующих миниатюризации массо-габаритных параметров, энергопотребления и т.п. Его реализация стала возможной только на определенном этапе развития науки, и на пути его реализации стоит еще много проблем, в том числе в части формирования общесистемных критериев и разработки методов синтеза технических систем на их основе.
Второй принцип - это поэтапность миниатюризации техники путем последовательного освоения разного порядка размерностей в виде отдельных ее поколений. Этот принцип непосредственно вытекает из естественного процесса непрерывного совершенствования технологий в направлении повышения точности. Каждое поколение любого вида техники требует соответствующих новых технологий. При этом для реализации последних необходимо технологическое оборудование, основанное на технике предыдущей размерности. Так, реализация этого принципа в микромехатронике предполагает развитие микросистемных технологий на основе 2D технологий микроэлектроники, созданных на предыдущем этапе развития техники. Это казалось бы бесспорное положение, однако как часто им пренебрегали в стремлении перепрыгнуть через очередной этап в закономерности развития техники! И каждый раз это приводило только к потере времени.
Третий принцип - унификация функциональных компонентов. Этот принцип частично был уже рассмотрен. В ходе миниатюризации для систем до дециметровой размерности этот принцип реализуется в виде модульного построения систем. Для робототехники этот принцип построения имеет особенно большое значение из-за следующих особенностей применения средств робототехники прежде всего в экстремальных условиях:
широкая и меняющаяся номенклатура;
сложность технических требований, которые часто находятся на пределе возможностей современной техники;
зачастую единичный характер потребностей в отдельных типах робототехнических систем.

Рис.4. Модульный космический манипулятор ДОРЕС (ЦНИИ РТК).

На рис. 2 и 3 приведены примеры базовых модульных робототехнических систем из средней части их типоразмерных рядов. На рис. 4 показан пример модульного космического манипулятора. Основным модулем, определяющим их ряд, является унифицированный шарнир, а для шасси мобильных роботов - мотор-колесо.
Заметим, что модульный принцип является в определенном смысле альтернативой первому принципу системного подхода, поскольку предпологает декомпозицию технических систем. Однако сама унификация типоразмерных рядов функциональных компонентов основана именно на системном подходе и оптимизации по единым критериям для всего множества этих компонентов.
Четвертый принцип - интеграция функций на базе однородных структур. Этот принцип построения технических систем, который также был уже упомянут, приходит на смену модульному в конце их типоразмерного ряда при переходе к миллиметровой размерности.
Процесс миниатюризации основных функциональных компонентов технических систем имеет три (I,II,III) варианта интеграции этих компонентов в ходе их миниатюризации.
Первый вариант (I)-это продолжающаяся автономная миниатюризация компонентов в виде модулей вплоть до микро- и наноразмерностей. Второй вариант (II) рассмотрен выше - это наиболее быстро развивающиеся в настоящее время структуры в виде однородных технических нейронных сетей. Третий вариант (III) относится прежде всего к будущим наноразмерным структурам. Его идея близка клеточному построению живых организмов. Подобно последним такие функционально полные мехатронные ячейки являются элементарными унифицированными модулями для построения специализированных структур фрактального типа с последующей реконфигурации в процессе развития.
Пятый принцип - интеллектуализация как отдельных функциональных компонентов, так и общесистемных функций. Он тоже соответствует общетехническим тенденциям, хотя его название достаточно условно, т.к. конечным развитием этого принципа будет техническое освоение неформализуемых творческих (креативных) способностей человека.
Заметим, что для современных технических систем точнее говорить не об искусственном, а о гибридном интеллекте, т.е о его симбиозе с естественным интеллектом, участвующем в управлении человека-оператора, или, еще точнее, о гибридном разуме, т.к. человек в системе в основном требуется для привлечения не столько его сознательных формализуемых интеллектуальных способностей, сколько подсознательной интуиции и творческих способностей.
Таковы наиболее общие принципы построения робототехнических и мехатронных систем, определяемые порядком размерности, и тенденции их развития. Как видно из изложенного, общей особенностью последних является непрерывный рост значения бионического подхода. Так, биологическим аналогом системного подхода и унификации компонентов является клеточное строение, а интеграции - нейронные структуры, пронизывающие все органы живых существ. Все методы искусственного интеллекта, по существу, также являются результатом копирования живой природы в части вербального мышления.
Изложенное показывает, что в целом робототехника и мехатроника действительно образуют некоторое комплексное научно-техническое направление, развивающееся на основе общих тенденций развития техники в целом и имеющие как свои отдельные, так и общие разделы.
В завершение анализа этих принципов остановимся еще на проблемах, решение которых непосредственно связано с развитием робототехнических и мехатронных систем, - это создание в рамках искусственного интеллекта саморазвивающихся (самосовершенствующихся) систем и, как дальнейшее развитие интеллектуальных систем, техническое освоение творческих способностей человека.
Решение первой проблемы связано с развитием систем с переменной структурой - самоорганизующихся систем. Целенаправленное изменение структуры технических систем - кардинальный способ их совершенствования. В полной мере это относится к робототехническим системам, особенно функционирующим в нештатных экстремальных условиях.
Изменение структуры систем может иметь одну из трех целей: расширение адаптационных возможностей, упомянутое расширение функциональных возможностей и совершенствование систем в процессе эксплуатации.
Структурные изменения могут быть чисто информационными (алгоритмическими) без изменения материальной части системы или с изменением последней. Распространенный вариант реализации переменной структуры - это уже рассмотренное построение робототехнических систем из функциональных модулей, включая возможность оперативного изменения их состава, адекватно меняющейся обстановке и подлежащим выполнению задачам.
Самое стратегически важное значение систем с переменной структурой связано с прогрессивным усложнением технических систем и решаемых ими задач. В связи с соответствующим возрастанием трудностей формализованного синтеза таких систем растут значение и роль алгоритмов самоорганизации в процессе самоусовершенствования. Перспективным представляется принцип синтеза технических систем путем такого самоусовершенствования аналогично эволюционному развитию живой природы. От создателей таких технических систем требуется только обеспечить функциональную возможность их подобного эволюционного развития, т.е. структурную избыточность и алгоритмы самосовершенствования. Разумеется, при этом должна быть предусмотрена и возможность 'обучения с учителем', т.е. под руководством человека.
Как выше было отмечено, перечисленные проблемы, пожалуй, наиболее остро стоят в экстремальной робототехнике в силу необходимости обеспечивать максимальную автономность, при чем в условиях наибольшей априорной неопределенности внешней ситуации и перспектив ее изменений. Достаточно упомянуть робототехнические системы, функционирующие в глубинах океана и космоса.
Конечным этапом развития самоорганизующихся систем особенно важным для автономно функционирующих групп роботов является их взаиморемонт и воспроизведение.
Вторая названная выше проблема заключается в дополнении формальных методов искусственного интеллекта, которые имитируют вербальное логическое мышление человека, техническим воспроизведением интуитивных способностей человека, основанных прежде всего на образном мышлении. Значение технического освоения образного мышления человека далеко не ограничено освоением творческих способностей. Это проблема создания технического аналога полноценного мышления человека. Действительно, как утверждают психологи и крупнейшие ученые в области информатики, сознательное вербальное мышление человека составляет не более 10% его мыслительной деятельности, т.е. представляет собой только 'вершину айсберга', а основной ее объем является подсознательным и в основном образным.
В заключение заметим, что межотраслевой характер рассматриваемого научно-технического направления требует адекватного государственного подхода к организации работ по его развитию. Именно так, например, начиналось развитие робототехники. В Японии - лидере в этой области все достижения получены именно благодаря тому, что опережающее развитие робототехники было признано стратегической государственной задачей. С возникновением мехатроники аналогичный государственный подход к ее развитию также начал проводиться рядом стран, включая и Японию, где, как известно, был предложен и сам этот термин.
Первоочередная задача в организации работ по развитию отечественных робототехники и мехатроники - это прежде всего разработка четкой государственной политики по этой проблеме, для начала создание межотраслевого научно-технического органа по координации работ, разработке соответствующей научно-технической концепции, а затем реализующей ее программы работ. Одной из первоочередных целей такой программы должно стать создание технологической и производственной базы для покрытия отечественных потребностей в новом поколении мехатронных, робототехнических и другого типа автоматических и автоматизированных систем прежде всего на основе унифицированных компонентов. Обязательным разделом такой программы должна быть также организация подготовки кадров разработчиков соответствующей техники, которым прежде всего и предстоит реализовывать эту программу.