Экспериментальная работа, проведенная в течение 30 лет, показала, что подобные системы с типом «интеллекта» «снизу вверх», т. е. поведенчески ориентированные, в ряде случаев успешно справлялись с заданиями, когда экспертные системы терпели поражение.
Пионеры в робототехнике
Как уже отмечалось, одним из пионеров в разработке поведенчески ориентированного подхода («снизу вверх») в робототехнике был Вильям Грей Вальтер. Он родился в Канзас Сити штат Миссури в 1910 году. Когда ему исполнилось пять лет, его семья переехала в Англию. Там он посещал школу и окончил Королевский колледж в Кембридже в 1931 году. После окончания он занялся фундаментальными исследованиями в области нейрофизиологии, которые проводил в госпиталях.
В начале своей карьеры Вальтер заинтересовался работами русского физиолога И.П. Павлова, знаменитого своими исследованиями механизмов «стимул-реакция», проводимых на собаках. В своих экспериментах Павлов звонил в звонок непосредственно перед тем, как дать пищу подопытным собакам. Через некоторое время собаки реагировали слюноотделением на сам звонок.
Другой современник Вальтера Ганс Бергер изобрел электроэнцефалографический аппарат. Во время визита Вальтера в лабораторию Бергера он предложил некоторые усовершенствования электроэнцефалографа. После переделки чувствительность прибора возросла, и в человеческом мозгу были обнаружены ЭЭГ кривые с частотами ниже 10 Гц.
Изучение Вальтером работы человеческого мозга привело его к изучению нейронных сетей мозга. В силу их исключительной сложности биологические нейронные сети оказалась недоступными для точной топологической картины или воспроизводства. По этой причине он выбрал объектом изучения отдельный нейрон и его электрический аналог. Он стремился узнать, какой тип поведения может быть получен в системе, состоящей из нескольких нейронов.
Для ответа на этот вопрос в 1948 году Вальтер построил трехколесный робот, имеющий вид черепахи. Размеры робота составляли 12" в высоту и около 18" в длину. Что оказалось удивительным – этот робот использовал только два электрических нейрона и при этом демонстрировал достаточно сложное и интересное поведение. Первые два робота были нежно названы Элмер и Элси (ЭЛектро МЕханический Робот и Electro Sensitive (Светочувствительный)). После наблюдений за сложным типом поведения, который демонстрировали роботы, Вальтер переименовал их в Machina Speculatrix (рассуждающая машина).
Помните, что в 40-годы транзистор еще не был изобретен, поэтому в электронных нейронах робота были использованы электронные лампы. Поскольку электронные лампы потребляют значительно большую мощность, чем транзисторы, оригинальная конструкция содержала аккумуляторы большого размера.
Нервная система или система рефлексов робота состояла из двух датчиков, соединенных с двумя нейронами. Один из датчиков представлял собой фотосопротивление, а другой – контактный выключатель, соединенный с внешней оболочкой робота.
Три колеса робота были расположены в виде треугольника. Переднее направляющее колесо было снабжено рулевым приводом и при этом могло вращаться на 360° в одном направлении. Кроме того, с этим же колесом был соединен ходовой двигатель, обеспечивающий поступательное движение робота. Поскольку рулевой механизм мог поворачиваться на полные 360°, питание ходового двигателя осуществлялось через два контактных кольца, установленных на оси привода.
Фоторезистор был также закреплен на оси привода рулевого механизма колеса. Это позволило автоматически совместить ось «взгляда» фоторезистора и направление движения робота.
Четыре режима работы
Еще до появления конструкций роботов – охотников за светом данный робот демонстрировал четыре режима работы. Необходимо отметить, что в данной конструкции как ходовой двигатель, так и двигатель рулевого привода были практически постоянно включены.
• Поиск. Окружающее пространство слабо освещено или находится в темноте. Реакция робота: двигатель рулевого механизма – полные обороты, ходовой двигатель – половинные обороты.
• Движение. Найден источник света. Реакция робота: двигатель рулевого механизма отключен, ходовой двигатель – полные обороты.
• Ослепление. Яркий свет. Реакция робота: двигатель рулевого механизма – половинные обороты, ходовой двигатель – реверсивный режим.
• Касание. Столкновение с препятствием. Реакция робота: двигатель рулевого механизма – полные обороты, ходовой двигатель – реверсирование.
Наблюдаемое поведение
В 1950 году Вальтер написал две статьи для Scientific American («Имитация жизни», май 1950 г. и «Машина, которая учится», август 1951 г.), а затем и книгу под названием «Живой мозг» (Norton, New York, 1963). Взаимодействие между нейронной системой и окружающей средой породило неожиданные и сложные типы поведения.
В одном из экспериментов Вальтер построил укрытие, куда Элси могла заходить и подзаряжать свои аккумуляторы. Укрытие было оборудовано небольшим источником света, которое должно было привлечь внимание робота к нему по мере расходования аккумуляторов. Робот мог бы заходить в укрытие и автоматически перезаряжать аккумуляторы. После завершения процесса зарядки робот мог покидать укрытие в поисках новых источников света.
В другом эксперименте Вальтер прикрепил небольшие лампочки к панцирю каждой черепахи. Роботы демонстрировали взаимодействие, которое напоминало наблюдателю некоторый тип социального поведения. Роботы танцевали вокруг друг друга, временами приближаясь и затем расходясь, что напоминало общение роботов по типу ритуального поведения или пометки территории.
Строим черепаху Вальтера
Мы можем воспроизвести большинство функций знаменитой черепахи Вальтера. Используемая нами программа имитирует работу нейронов, использованных в оригинальной конструкции. Для изготовления шасси потребуются некоторые слесарные работы. Слесарные работы сильно упростятся при использовании следующих инструментов:
• Кернер. Используется для нанесения углублений на лист металла для облегчения сверления. Если не наметить центр отверстия с помощью кернера, то сверло легко может «увести». Для нанесения отметки поставьте острие кернера в точку предполагаемого отверстия. Ударьте молотком для нанесения углубления.
• Ручные ножницы по металлу. Используются для резки листового металла. Я бы рекомендовал ножницы размером 75 см. Процесс резки аналогичен использованию обычных ножниц. Примечание: резка металла значительно труднее резки бумаги.
• Тиски. Используются для фиксации металлических деталей для сверления и сгибания.
• Дрель
• Молоток
Вы можете найти эти инструменты практически в любом магазине слесарного оборудования. Там же можно найти тонкие листы металла и алюминиевые полосы, необходимые для изготовления шасси.
Я изготовил шасси из прямоугольной алюминиевой полосы сечением 3х 12 мм и листа нержавеющей стали толщиной 0,6 мм. Нержавеющая сталь хуже поддается обработке в сравнении с обычным холодным листовым прокатом, поэтому в следующий раз я предпочел бы алюминий или прокат.
Ходовой и поворотный двигателиХодовой двигатель представляет собой двигатель с редуктором 100:1 (см. рис. 8.1). Мне нравится этот двигатель, поскольку он имеет скобу для крепления. Для поворотного двигателя я использовал стандартный сервомотор с усилием на валу 1,3 кгс. Для шасси потребуются три куска листового металла.
Рис. 8.1. Двигатель постоянного тока 1,5–3 В с редуктором 100:1
Ходовой двигатель и переднее колесо закреплены на П-образном швеллере (см. рис. 8.2). П-образный швеллер изготовлен из стальной полосы размерами 25 мм на 125 мм и толщиной 0,4 мм. В центре полосы необходимо просверлить три отверстия для крепления фланца сервомотора. Диаметр центрального отверстия (3 мм) больше диаметра крайних отверстий (1,5 мм). Отсоедините фланец от сервомотора путем выворачивания центрального винта и вытягивания фланца вверх. Положите фланец на скобу швеллера и разметьте положения центрального и боковых отверстий. Просверлите три отверстия. Присоедините фланец к сервомотору и заверните центральный винт. Для крайних отверстий используйте винты с гайками диаметром 3 мм. Просверлите три отверстия 3,1 мм для бокового крепления Г-образной скобы ходового двигателя. Просверлите два соосных отверстия диаметром 3 мм для крепления переднего колеса.
Рис. 8.2. П-образная скоба крепления ведущего колеса
Зажмите полосу в тиски и согните ее концы под углом 90°, чтобы получилась П-образная скоба.
Используйте Г-образную скобу для крепления ходового двигателя к П-образному швеллеру (см. рис. 8.3). Размеры Г-образной скобы 38х 76 мм. Наметьте отверстия на пластине согласно положению соответствующих отверстий на корпусе редуктора. Убедитесь, что три отверстия на Г-образной скобе соответствуют отверстиям на П-образной скобе швеллера.
