Роботы и свобода

Я рассказывала раньше о неповоротливом роботе-баскетболисте, который не годится для командной игры.

А вот роботы-теннисисты есть. Они хорошо играют в настольный теннис. Пока что они проигрывают людям, но это поправимо: если в принципе игра получается, то программисты доработают программы, и робот будет непобедим в игре в пинг-понг.

А вот игра в баскетбол для железного человека противопоказана. Почему?

Все дело в степенях свободы.

• Если шарик катается по желобу туда-сюда, у нее одна степень свободы.
• Если шарик катается по полу, то у него две степени свободы. Вперед-назад, вправо-влево, и комбинация этих движений.
• Если он еще и подпрыгивает, и летает – то степени свободы три. Добавляется вверх-вниз.

Заметим, что сам шарик при этом сохраняет свою форму, внутренних степеней свободы у него нет.

А вот кубик Рубика имеет внутренние степени свободы. Его грани можно вращать вокруг трех осей.

Посмотрим на руку человека. Сколько у нее внутренних степеней свободы? Можно приблизительно оценить, посчитав все суставы, большие и маленькие. Добавим, что суставы могут вращаться в разных плоскостях. То есть степеней свободы больше, чем суставов, примерно в три раза.

Чтобы рука работала, нужны двигатели. Это мышцы. Для сгибания – одни, для разгибания – другие, для вращения – третьи.

Всего у человека 350 суставов и более 500 двигателей-мышц. Число степеней свободы… ну очень большое. Явно больше тысячи.

А сколько степеней свободы у андроидных роботов, имитирущих человека? У наиболее продвинутых – 50.

Почему же не тысяча?

Давайте считать. Каждая степень свободы требует подключения двигателя. Если это электродвигатель, то ему нужен электропривод. Провода, электрические контакты, источник питания.

Теория надежности беспристрастно регистрирует вероятность отказа двигателя в час, вероятность отказа электрического контакта в час, вероятность отказа шарнира за час работы. Сложим 350 шарниров и 500 двигателей,  добавим электрические контакты ( хотя бы по 2 на двигатель, 500*2=1000). Получим 350+500+1000=1850.

Пусть у каждой единицы из этих 1850 вероятность исправной работы  за час работы составит 0,99999. Это очень хорошая вероятность – при такой вероятности отказ одной единицы может наступить раз в 11 лет. Но единиц 1850, и для того, чтобы узнать, с какой вероятностью наша система будет исправна после часа работы, нужно возвести 0,99999 в степень 1850.

Получается 0,98. Тоже хорошая вероятность. При сверхнадежных электрических контактах (таких не бывает, между прочим) такой робот может функционировать час.

Но если мы попросим его быть неутомимым (это главное достоинство роботов, говорят нам), работать 24 и 7?  Иными словами, какова вероятность, что он поработает 24*7=168?

Возводим 0,98 в степень 168, получаем вероятность 0,04. То есть 4% - вероятность того, что за неделю в системе ничего не откажет.

Это могут быть не фатальные отказы. Ну стал хромать, ну сбилась точность движений, малость косоруким стал…

А если упростить систему? Убрать неосновные степени свободы?

Надежность возрастет. Если мы упростим систему в 10 раз, сильно ее огрубим, вероятность исправности через месяц работы будет 26%.

Нужно добавить: для расчетов взяты нереально высокие надежности электрических контактов. Так что на самом деле отказов будет больше.

А если дальше упрощать систему? Тут теория надежности нам улыбается и радостно показывает: ЧЕМ СИСТЕМА ПРОЩЕ, ТЕМ ОНА НАДЕЖНЕЕ. Станок с ЧПУ способен творить чудеса.

Иными словами – оптимальные по надежности системы уже работают. Их усложнение предсказуемо ведет к росту аварийности.

В полном согласии с великой и прекрасной теорией надежности.

Такие дела.