На рис.3.1 представлена электрическая схема такой обучаемой системы управления. Система содержит сетчатку технического глаза 1 (оптика технического глаза на схеме не показана), состоящую из набора рецепторов очувствления в виде фоторезисторов 2; технический мозг 3 в виде матрицы аналоговых резисторных элементов 4, соединенных строчными шинами 5 с фоторезисторами 2 сетчатки глаза, а парными столбцовыми шинами 6 и 7 с нагрузочными резисторами 10; набор усилителей 8, содержащий двуполярные усилители 9, входы которых соединены с парными столбцовыми шинами 6 и 7, а выходы 11 которых являются выходами системы. Кроме того, система включает набор 12, содержащий три группы командных рецепторов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных электрического контакта 13 и переменного резистора 14. Электрические контакты 13 одной из групп командных рецепторов выполнены в виде выключателей с ручным управлением; управляющие входы электрических контактов 13 другой группы предназначены для подключения к внешним системам, и, наконец, управляющие входы электрических контактов 13 третьей группы подключены к выходам пороговых элементов 15, установленных на выходах 11 части усилителей 9. В системе имеется источник питающего напряжения постоянного тока 16. С одной клеммой этого источника соединены рецепторы очувствления 2, а с другой клеммой соединены нагрузочные резисторы 10. Командные рецепторы соединены строчными шинами 5 с аналоговыми резисторными элементами 4 матрицы мозга 3 и с источником питающего напряжения 16 через фоторезистор 17, оптически направленный на поле зрения технического глаза, минуя объектив этого глаза. Рецепторы очувствления и командные рецепторы соединены со строчными шинами 5 технического мозга разъемами 18. Технический мозг включает еще дополнительные строчные шины (на схеме не указаны), совмещенные с выходами 11 системы.

Рис.3.1. Схема обучаемой системы управления с командными рецепторами

На схеме указаны обозначения: С₁^фр, С₂^фр, . . . , С_m^фр – проводимости фоторезисторов 2 сетчатки технического глаза; индекс внизу обозначает порядковый номер фоторезистора, m – общее количество фоторезисторов сетчатки; С₁^к, С₂^к, . . . , С_р^к – проводимости переменных резисторов 14 командных рецепторов, электрические контакты 13 которых выполнены в виде выключателей, замыкаемых или размыкаемых вручную человеком; р – общее количество таких командных рецепторов; С_р+1^к, С_р+2^к, . . . , С_р+в^к – проводимости переменных резисторов 14 командных рецепторов, замыкание и размыкание электрических контактов 13 которых осуществляется внешними управляющими системами, например системой управления металлорежущего станка, который обслуживается промышленным роботом, оснащенным обучаемой системой управляющего зрения; в – общее количество командных рецепторов, электрические контакты которых замыкаются и размыкаются внешними управляющими системами; С_р+в+1^к, С_р+в+2^к, . . . , С_v^к – проводимости переменных резисторов 14 командных рецепторов, замыкание и размыкание электрических контактов 13 которых осуществляется пороговыми элементами 15 обучаемой системы управляющего зрения; v– общее количество таких командных рецепторов; w = p + b + v – общее количество командных рецепторов; n – общее число исполнительных органов объекта управления и пороговых элементов 15; (n – w) – общее количество исполнительных органов объекта управления; E⁽¹⁾, E⁽²⁾, . . . , E^(n–v) – сигналы управления исполнительными органами объекта управления (индекс вверху обозначает порядковый номер исполнительного органа); E^(n–v+1), E^(n–v+2), . . . , E⁽ⁿ⁾ – сигналы управления пороговыми элементами 15, замыкающими и размыкающими электрические контакты 13 командных рецепторов; U – напряжение источника питающего напряжения 16.

Прежде, чем включить обучаемую систему управления в работу, ее необходимо обучить т.е. настроить. Рассмотрим процесс обучения на примере настройки системы, установленной на промышленном роботе, предназначенном для поиска заданных предметов сложного внешнего вида, произвольно расположенных в рабочей зоне робота. Решение этой задачи необходимо в процессе, например, сборки узлов, когда в рабочую зону робота поступает комплект различных деталей, сориентированных произвольно, и которые в определенной последовательности должны быть собраны в узел.
Технический глаз установлен на схвате робота и совмещен с осью вращения схвата. Движения поиска осуществляют три двигателя: первый – перемещает схват с установленным на нем глазом вдоль стола с размещенными на нем различными предметами; второй – перемещает схват поперек стола; третий – вращает схват вокруг оси. Была поставлена цель – обучить робот при замыкании электрического контакта 13 первого командного рецептора искать первый заданный предмет, при замыкании контакта 13 второго командного рецептора – искать второй заданный предмет и т.д. по числу искомых предметов. При замыкании контакта 13 одного из командных рецепторов контакты остальных автоматически размыкаются. Возможны и другие комбинации включений и выключений контактов 13 командных рецепторов.
Сначала необходимо определить стратегию поведения робота. Тот его двигатель, который перемещает схват и установленный на нем глаз вдоль стола с размещенными на нем предметами, должен работать в заданном направлении в тех случаях, когда в поле зрения глаза либо нет предметов, либо есть, но – посторонние, и должен остановиться в том случае, когда в поле зрения находится правильно ориентированный искомый предмет. Другой двигатель, смещающий схват поперек стола, должен работать таким образом, чтобы любой предмет располагался по центру поля зрения глаза в поперечном направлении. Третий двигатель должен вращать схват в ту или иную сторону в зависимости от перекоса предмета в поле зрения, и, если предмет находится в заданном положении, третий двигатель должен остановиться. Схват должен сработать только в том случае, если в поле зрения будет располагаться правильно сориентированный искомый предмет. Какой предмет является искомым в данный момент, определяется замыканием контактов 13 командных рецепторов.
Установленный на схвате робота технический глаз имеет сетчатку из фоторезисторов 2, расположение которых произвольное. Предварительно пронумеруем все фоторезисторы 2 и им соответствующие строки 5 матрицы технического мозга. Изображение рабочей зоны проецируется на сетчатку с помощью объектива. Перед началом обучения все скользящие контакты потенциометров 4 необходимо выставить в среднее положение. Далее устанавливают проводимости переменных резисторов 14 командных рецепторов в зависимости от заданной последовательности поиска предметов, определяемой, например, последовательностью сборки узла. В процессе сборки предметы (детали) поочередно удаляются из рабочей зоны робота и устанавливаются в собираемый узел. Наибольшую проводимость резистора 14 устанавливают для командного рецептора, задающего команду на поиск первого предмета. Для поиска второго предмета проводимость резистора 14 соответствующего командного рецептора устанавливают меньше; для третьего – еще меньше и т.д. Наименьшая проводимость резистора 14 устанавливается для командного рецептора, определяющего поиск последнего предмета. Такой порядок установки проводимостей резисторов 14 командных рецепторов обеспечивает по мере удаления предметов из рабочей зоны остановку схвата только на том предмете, который задан последовательностью сборки, и прохождение схвата над всеми оставшимися предметами, если те будут попадать в поле зрения глаза.
Обучение проводят отдельно для каждого двигателя и одновременно для всех задач по поиску предметов. Обучение можно начать с первого двигателя, управление которым осуществляет первая пара столбцов 6 и 7 матрицы 3 с сигналом Е⁽¹⁾. Ситуации в обучаемую выборку подбирают, исходя из стратегии поиска. Обучение проводят в условиях наибольшей освещенности, возможной при работе системы.
Первая задача – поиск первого предмета. При этом замкнут контакт 13 первого командного рецептора. Первая ситуация обучаемой выборки: глаз видит стол без предметов. При этом измеряют электрические проводимости всех фоторезисторов 2 технического глаза. Все измерения проводят при разомкнутых разъемах 18. Представим измеренные проводимости в виде: С₁₁^фр, С₁₂^фр, . . . , С_1m^фр, где первый индекс внизу означает номер ситуации, а второй – номер фоторезистора 2 сетчатки.
Полученный ряд проводимостей фоторезисторов 2 дополняют проводимостью резистора 14 первого командного рецептора С₁^к, контакт которого замкнут. Проводимости остальных командных рецепторов равны нулю, т.к. их электрические контакты разомкнуты. Как следует из стратегии поиска предмета, сигнал управления, подаваемый с первой пары столбцов на первый двигатель в первой ситуации должен быть положительным: Е₁⁽¹⁾ > 0. Следует оговорить эту величину, но нужно иметь в виду, что она может иметь широкий диапазон изменения; другими словами, задают такое допустимое отклонение сигнала управления d₁⁽¹⁾, которое позволяет только сохранить направление движения, т.е. сохранить знак сигнала управления Е⁽¹⁾ и не превысить предельную скорость перемещения исполнительного органа.
Вторая ситуация: глаз видит сориентированный первый предмет, который является искомым для первой задачи. В этой ситуации замеры дадут: С₂₁^фр, С₂₂^фр, . . . , С_2m^фр. Сигнал управления двигателем в этой ситуации должен быть равен нулю. Задают Е₂⁽¹⁾ = 0. Допустимое отклонение d₂⁽¹⁾ сигнала управления должно быть настолько малым, чтобы гарантировать остановку первого двигателя в этой ситуации, т.е. задают величину его меньше значения сигнала управления, необходимого для преодоления момента трения двигателя. Вторая ситуация является целевой для первой задачи. Целевых ситуаций для одного предмета может быть несколько с различной ориентацией предмета в поле зрения глаза.
Третья ситуация: глаз видит сориентированный второй предмет, который является посторонним для первой задачи, как и все оставшиеся предметы. Для этой ситуации проводимости фоторезисторов 2 представим как: С₃₁^фр, С₃₂^фр, . . . , С_3m^фр. Сигнал управления Е₃⁽¹⁾ в этой ситуации задаем таким же, как и в первой. И далее, по очереди предъявляют все предметы комплекта собираемого узла и задают для них сигналы управления такие же, как и в первой ситуации.
Формирование ситуаций обучаемой выборки для решения первой задачи закончено. Переходим к подбору ситуаций в обучаемую выборку для решения второй задачи – поиска второго предмета. Замкнутым в этом случае является контакт 13 второго командного рецептора; его проводимость – С₂^к; остальные контакты командных рецепторов разомкнуты, их проводимости С^к принимаем равными нулю.
В обучаемую выборку обучению решению второй задачи входят те же ситуации, что и для обучения решению первой задачи, кроме ситуации, когда глаз видит первый предмет, т.е. кроме второй ситуации первой задачи. Целевой для второй задачи является ситуация, когда глаз видит сориентированный второй предмет. Сигнал управления для нее задаем нулевым с допустимым отклонением как и во второй ситуации первой задачи: d_ц⁽¹⁾= d₂⁽¹⁾. Для остальных ситуаций сигналы управления задаем положительными с широкими диапазонами изменения аналогично первой ситуации первой задачи.
Для решения третьей задачи – поиска третьего предмета, в обучаемую выборку входят те же ситуации, что и для решения первых двух, кроме тех, когда глаз видит первый и второй предметы. Целевой является ситуация, когда в поле зрения – сориентированный третий предмет. Замкнут при этом только электрический контакт 13 третьего командного рецептора с проводимостью резистора 14, обозначенной через С₃^к; и так далее.
Для обучения поиску последнего предмета в обучаемую выборку входят только две ситуации: ситуация, когда глаз видит стол без предметов с положительным сигналом управления для нее и широким допуском на этот сигнал, и ситуация, когда в поле зрения находится сориентированный искомый предмет с нулевым сигналом управления и жестким допуском. На этом формирование обучаемой выборки для обучения первого двигателя закончено.

На следующем этапе обучения производят расчеты долей e_оi сигнала управления каждого i-го рецептора, которые формируются на выходе 11 усилителя 9 первой пары столбцовых шин 6 и 7 в опорной ситуации. Для формирования опорной ситуации используют одну из целевых, например вторую ситуацию первой задачи и замыкают электрические контакты 13 всех командных рецепторов. Порядок расчета предусматривает поочередное предъявление ситуаций обучаемой выборки и поочередный расчет долей сигнала управления e_оi в опорной ситуации. Расчет – итерационный и повторяется до тех пор, пока ошибка сигнала управления D Е_j⁽¹⁾ в каждой j-ой ситуации обучаемой выборки не окажется меньше допустимого отклонения d_j⁽¹⁾. Исходные значения долей e_оi сигнала управления принимают равными нулю. Порядок расчета соответствует описанному в разделе 2.2.4.
Следующий этап обучения – настройка потенциометров 4 технического мозга. Для этого подсоединяют к строчным шинам 5 все отсоединенные ранее рецепторы очувствления 2 и командные рецепторы и замыкают электрические контакты 13 всех командных рецепторов. Во время настройки все выходы 11 усилителей 9 должны быть отключены от двигателей и пороговых элементов 15. Настройку ведут в ситуации, принятой за опорную, для чего глаз выставляют в положение, когда он видит сориентированный первый искомый предмет, и замыкают контакты всех командных рецепторов. Настройка заключается в смещении скользящего контакта каждого потенциометра 4 в ту сторону и на такую величину, которые обеспечивали бы изменение сигнала управления Е⁽¹⁾ на выходе первого усилителя на расчетную величину e_оi соответствующего i-го рецептора. Например, согласно расчету доля в сигнале управления первого рецептора равна 0,12 В (e_о1 =+12 В), следовательно, нужно сместить скользящий контакт первого потенциометра 4 первой пары столбцовых шин в ту сторону и настолько, чтобы при этом измеряемый с помощью вольтметра сигнал управления Е⁽¹⁾ на выходе первого усилителя увеличился на величину 0,12 В. После этого переходят к следующему потенциометру 4 той же пары столбцовых шин, и, если, согласно расчету, например e_о2=–0,08 В, то скользящий контакт второго потенциометра 4 смещают в обратную сторону настолько, чтобы сигнал управления Е⁽¹⁾ уменьшился на 0,08 В.

После настройки всех потенциометров 4 первой пары столбцовых шин технического мозга проводят проверку настройки. Для этого в той же ситуации, которая использовалась для формирования опорной, но при замкнутом контакте 13 только первого командного рецептора, измеряют на выходе первого усилителя сигнал управления, который должен быть равен нулю: Е⁽¹⁾ = 0 – в пределах заданного допуска. Во всех прочих ситуациях обучаемой выборки сигнал должен быть положительным. Равным нулю он должен быть и в ситуации, когда глаз видит сориентированный второй искомый предмет при замкнутом контакте 13 только второго командного рецептора. При замкнутом контакте 13 только третьего командного рецептора нулевым сигнал должен быть в ситуации, когда глаз видит сориентированный третий искомый предмет. И так далее. Таким образом подтверждается правильность обучения.
После завершения настройки потенциометров 4 первой пары столбцовых шин 6 и 7, т.е. после обучения первого двигателя, переходят к обучению второго двигателя, руководствуясь при этом принятой стратегией поведения робота и той же методикой, которая применялась при обучении первого двигателя.
Пороговые элементы 15 обучают по подобной методике. Они могут использоваться для переключения контактов 13 командных рецепторов в случае перехода к выполнению очередной задачи, а также для управления работой схвата. Условием срабатывания порогового элемента 15 может быть целевая ситуация, когда в поле зрения располагается найденный предмет и его требуется захватить с помощью схвата и перейти к решению следующей задачи. Для управления работой пороговых элементов может использоваться как отдельная пара столбцовых шин технического мозга, так и пара уже задействованных для управления одним из двигателей. В первом случае необходимо настроить потенциометры 4 отдельной пары столбцовых шин таким образом, чтобы в ситуациях, когда требуется срабатывание пороговых элементов, на выходе 11 соответствующего усилителя 9 была необходимая для срабатывания величина сигнала управления, а во втором случае требуется подобрать или настроить пороговый элемент таким образом, чтобы срабатывание его в целевых ситуациях определялось величиной сигнала управления соответствующего двигателя.

Работает обучаемая система управления следующим образом. После завершения обучения система подсоединяется к объекту управления и на нее подается напряжение U от источника питающего напряжения постоянного тока 16. При этом каждый рецептор очувствления 2 и включенный командный рецептор в текущей j-ой ситуации выдает на выход 11 свою долю e_ij сигнала управления E_j, определяемую его проводимостью в этой ситуации С_ij^фр или С_ij^к и смещением скользящего контакта соответствующего ему потенциометра 4. В результате фактический сигнал управления E_fj определится как сумма долей от всех рецепторов:

Если теперь замкнуть контакт 13 первого командного рецептора, то на выходе 11 первого усилителя 9 сформируется сигнал управления Е⁽¹⁾, соответствующий тому, что попадает в поле зрения технического глаза, т.е. этот сигнал будет равен нулю в тех случаях, когда в поле зрения глаза окажется первый искомый предмет с заданной ориентацией, и будет положительным, если в поле зрения находятся другие предметы или фон. Следовательно, первый двигатель робота будет смещать схват с глазом вдоль стола до тех пор, пока глаз не увидит искомый предмет, и только при этом остановится. Действия первого двигателя будут успешными, так как контрольная проверка сигналов управления первого усилителя 9 после обучения подтвердила, что сигналы управления будут равны нулю в целевых ситуациях и будут положительными в остальных. Такими же успешными окажутся действия второго и третьего двигателей, если обучение проведено правильно. Как видно из стратегии обучения, второй и третий двигатели робота смещают и поворачивают глаз так, чтобы искомый предмет оказался правильно сориентированным в поле зрения глаза вне зависимости от его положения на столе. Таким образом, все двигатели робота, действуя согласованно, обеспечивают поиск заданного предмета. Если же замкнуть контакт 13 второго командного рецептора, то будет осуществлен поиск второго заданного предмета. При замкнутом контакте 13 третьего командного рецептора осуществится поиск третьего предмета. И так далее.

Электрические контакты 13 командных рецепторов могут быть разделены по управлению ими на три группы. Контакты одной из групп являются выключателями, замыкает и размыкает которые вручную человек. Управляющие входы контактов другой группы предназначены для подключения к внешним системам. Это могут быть системы управления другими объектами, системы управления других уровней и т.д. Управляющие входы контактов третьей группы подключены к выходам пороговых элементов 15, через которые замыкание или размыкание контактов этой группы осуществляет конкретная зрительная ситуация, воспринимаемая техническим глазом.
Поиск заданных предметов будет обеспечен в условиях изменяющейся освещенности благодаря наличию фоторезистора 17, оптически направленного на поле зрения технического глаза, минуя объектив, и соединяющего командные рецепторы с источником питания. Это следует из выражения для определения фактического сигнала управления, если ввести в него коэффициент h, учитывающий, во сколько раз изменилась освещенность поля зрения глаза:

из которого следует, что при любом значении h в целевых ситуациях сигнал управления будет равен нулю, т.е. поиск предметов гарантирован. Что же касается скорости движений при поиске, то очевидно, что при большей освещенности она будет больше, при меньшей – меньше. При слабом освещении движения робота будут замедленными, при ярком освещении – ускоренными.
При выходе из строя некоторой части рецепторов 2 технического глаза, например при обрыве их контактов со строчными шинами 5 матрицы 3, сигналы управления Е исполнительными органами изменяются на величину, равную сумме долей е, которые формировались этими рецепторами. В результате, значения сигналов управления Е могут выйти за пределы допустимых величин в некоторых целевых ситуациях, т.к. допуск в этих ситуациях на сигналы управления – наиболее жесткий. Тогда при поиске задаваемых предметов робот может не остановиться над искомым предметом, т.е. не будет выполнять поставленную задачу. В этом случае нужно заново переобучить систему управления.
Можно также дообучить робот, не меняя настройку потенциометров 4 матрицы мозга 3, соединенных с рецепторами очувствления 2. Для этого в тех целевых ситуациях, в которых робот не останавливается, подстраивают потенциометры 4 только соответствующих командных рецепторов в соответствующей паре столбцовых шин таким образом, чтобы компенсировать потерянные доли сигнала управления в результате обрыва рецепторов очувствления 2, добиваясь, чтобы в целевых ситуациях на выходах 11 усилителей 9 сигналы управления равнялись нулю. Если в рассмотренном примере в первой целевой ситуации на выходе первого усилителя вместо нулевого сигнала измерения показали, что сигнал положительный и превышает допустимое отклонение, то скользящий контакт потенциометра 4, соединенного строчной шиной 5 с первым командным рецептором и выводы резистора которого соединены с первой парой столбцовых шин, смещают в ту сторону и настолько, чтобы сигнал управления уменьшился до допустимого значения. Аналогично добиваются требуемых значений сигналов управления и в других целевых ситуациях.

Изложенное в этом разделе изобретение [78] имеет важное теоретическое и практическое значение. Оно позволяет обучать систему выполнению последовательности действий, когда выполнение одного действия (точнее, формирование управляющего сигнала) вызвано выполнением предыдущего (предыдущим управляющим сигналом) и в свою очередь является причиной последующего действия объекта управления (последующего сигнала управления). При отключенных исполнительных органах таким образом реализуется процесс мышления технической нервной системы. Изобретение позволяет согласовывать управляющие сигналы исполнительными двигателями между собой.
На рис.3.2 представлена схема такой обучаемой системы управления (внешне она напоминает так называемые нейронные сети Хопфилда). Она содержит технические органы чувств 1, состоящие из наборов рецепторов очувствления 2, постоянное запоминающее устройство 3 в виде матрицы аналоговых резисторных элементов 4, строчные шины 5 которой совмещены с рецепторами очувствления 2, а столбцо вые шины 6 и 7 объединены попарно, блок усилителей 8, содержащий двуполярные усилители 9, со входами каждого из которых соединены отдельные парные столбцовые шины 6 и 7, каждая столбцовая шина имеет нагрузочный резистор 10. Выходы 11 усилителей 9 являются выходами системы на управляемые исполнительные органы. Питание на рецепторы очувствления 2 подается с источника питания 12 постоянного тока. Система включает также дополнительный блок 13 резисторной матрицы, столбцовые шины которого соединены со столбцовыми шинами матрицы постоянного запоминающего устройства 3, а строки с помощью каналов 14 блока внутренних обратных связей 15 – попарно с выходами системы 11. В каждом канале 14 установлены блок задержки 16 и диод 17. Направление проводимости диодов 17 в каналах 14 одной пары обратных связей – противоположное.

Рис.3.2. Схема обучаемой системы управления с внутренними обратными связями

На схеме указаны обозначения: U – напряжение источника питания 12; b₁^р, b₂^р,..., b_m^р – токи, проходящие через фоторезисторы 2 и определяемые сопротивлениями этих резисторов (индекс внизу обозначает порядковый номер рецептора); m – общее количество рецепторов очувствления; Е⁽¹⁾, Е⁽²⁾, . . . , Е⁽ⁿ⁾ – сигналы управления исполнительными органами объекта управления (на схеме исполнительные органы не показаны) (индекс вверху обозначает порядковый номер исполнительного органа); n – общее количество исполнительных органов; b₁₁^M, b₁₂^M,..., b_n1^M, b_n2^M – токи, проходящие по каналам обратных связей, определяемые величинами сигналов управления Е и сопротивлениями потенциометров 4 (первый индекс внизу обозначает номер соответствующего исполнительного органа, второй индекс внизу обозначает номер канала в паре каналов обратных связей).

Рассмотрим процесс обучения данной системы. Допустим, обучаемая система управления установлена на промышленном роботе, и обучим этот робот поиску заданного предмета среди посторонних. В качестве органа чувств в данном случае используем технический глаз, установленный на схвате робота. Сначала необходимо определить стратегию поведения робота. Если предметы, среди которых находится искомый, расположены на столе, то поиск можно организовать так, что рука робота с глазом будет перемещаться вдоль стола на определенной высоте и смещаться поперек стола только в том случае, если в поле зрения глаза попал любой предмет. Смещение поперек стола должно быть всегда в сторону попавшего в поле зрения предмета. Если предмет повернут, то схват с глазом должен при поиске повернуться так, чтобы искомый предмет оказался правильно сориентированным в поле зрения глаза.
Определим более подробно действия двигателей робота. Тот его двигатель, который перемещает схват и установленный на нем глаз вдоль стола с размещенными на нем различными предметами, должен работать в заданном направлении в тех случаях, когда в поле зрения глаза либо нет предметов, либо есть, но посторонние, и должен остановиться в том случае, когда в поле зрения – сориентированный искомый предмет. Другой двигатель, смещающий схват поперек стола, должен работать в том направлении, с какой стороны в поле зрения глаза попал край любого предмета, и должен остановиться в том случае, если предмет находится в центре поля зрения. Третий двигатель должен вращать схват в ту или иную сторону в зависимости от направления отклонения условной оси предмета относительно условной оси поля зрения глаза; но если искомый предмет находится в заданном положении, то двигатель должен остановиться. Обучение проводят отдельно для каждого двигателя, а затем согласуют совместные действия всех двигателей.
Предварительно пронумеруем все фоторезисторы 2 сетчатки глаза и соответствующие им строки 5 матрицы постоянного запоминающего устройства 3. Расположение фоторезисторов на сетчатке и их нумерация – произвольные. Обучение можно начать с первого двигателя, управление которым осуществляет, допустим, первая пара столбцов 6 и 7 матрицы 3 с сигналом управления Е⁽¹⁾. Ситуации в обучаемую выборку подбирают, исходя из стратегии поиска. Перед началом обучения все потенциометры 4 необходимо выставить в средние положения.
Первая ситуация: глаз видит стол без предметов. При этом необходимо замерить токи b₁₁^р, b₁₂^р, . . . , b_1m^р всех фоторезисторов 2 технического глаза 1. Измерение можно производить лишь при отсоединенных строках 5, подсоединив разъемы рецепторов 2 к источнику питания 12. Первый индекс внизу обозначает номер ситуации. Как явствует из стратегии поиска, сигнал управления, подаваемый с первой пары столбцов на первый двигатель в первой ситуации, должен быть положительным: Е⁽¹⁾ > 0. Следует оговорить эту величину, но нужно иметь в виду, что она может иметь широкий диапазон или, другими словами, большое допустимое отклонение d(Е⁽¹⁾).
Вторая ситуация: глаз видит посторонний предмет. Необходимо повторить замеры и представить их в виде b₂₁^р, b₂₂^р, . . . , b_2m^р. Сигнал управления Е₂⁽¹⁾ в этой ситуации должен иметь тот же знак, что и в первой ситуации: Е₂⁽¹⁾ > 0, – но величина его может отличаться. Допустимое отклонение d(Е₂⁽¹⁾) может быть таким же, как и в первой ситуации: d(Е₂⁽¹⁾) = d(Е₁⁽¹⁾).
Третья ситуация: глаз видит искомый предмет в заданном положении. Замеры дадут b₃₁^р, b₃₂^р, . . . , b_3m^р . Сигнал управления в этой ситуации согласно стратегии поиска должен быть равен нулю: Е₃⁽¹⁾ = 0. Допустимое отклонение d(Е₃⁽¹⁾) сигнала управления должно быть настолько малым, чтобы гарантировать остановку первого двигателя, т.е. оно не должно превышать значения сигнала управления, необходимого для преодоления момента трения двигателя. Третья ситуация является целевой в задаче поиска предмета. В общем случае целевых ситуаций для одного предмета может быть несколько с учетом различной ориентации предмета в поле зрения глаза. На этом формирование обучаемой выборки для обучения первого двигателя закончено.
На следующем этапе обучения производят расчет долей e_i сигнала управления, которые формируются на выходе 11 первой пары столбцовых шин каждым i-ым рецептором 2 и соответствующим ему i-ым потенциометром 4. Для этого одну из ситуаций обучаемой выборки принимают за опорную, и далее доли e_i пересчитывают относительно выбранной опорной ситуации; обозначим их через e_оi. В качестве опорной удобно выбрать целевую ситуацию. Порядок расчета предусматривает поочередное предъявление ситуаций и поочередный расчет долей сигнала управления в пересчете на опорную ситуацию. Расчет итерационный и повторяется до тех пор, пока ошибка сигнала управления D Е_j⁽¹⁾ в каждой ситуации не окажется меньше допустимого отклонения d(Е_j⁽¹⁾). Исходные значения долей сигнала управления принимают равными нулю.
Порядок расчета соответствует описанному в разделе 2.2.4. В результате получают значения e_оi для всех рецепторов.
На следующем этапе обучения производят настройку потенциометров 4 по методике, аналогичной той, которая использовалась для настройки системы, показанной на схеме 3.1.
После настройки всех потенциометров 4 первой пары столбцовых шин 6 и 7 матрицы 3 можно провести контрольные замеры. Для этого в той же опорной ситуации при поданном напряжении U источника питания 12 на выходе 11 первого усилителя 9 сигнал управления должен быть равен нулю: Е₃⁽¹⁾ = 0. В первой и во второй ситуациях сигнал должен быть больше нуля. Таким образом подтверждается правильность процесса обучения.
После завершения обучения первого двигателя (после настройки потенциометров 4 первой пары столбцовых шин 6 и 7) переходят к обучению второго и третьего двигателей, руководствуясь при этом принятой стратегией поведения и той же методикой, которая применялась при обучении первого двигателя.
После завершения обучения всех трех двигателей робота переходят к процедуре согласования движений этих двигателей. Но предварительно необходимо определить смысл согласования. Очевидно, во время поиска заданного предмета схват с глазом может проскочить вдоль стола мимо этого предмета, не успев сместиться поперек стола или повернуться до требуемой ориентации предмета. Чтобы устранить такой нежелательный случай, достаточно задать при обучении скорости двигателей поворота схвата и смещения его поперек стола значительно большими, чем скорость двигателя перемещения вдоль стола. Однако при этом снижается скорость поиска.
Предлагаемое новое техническое решение позволяет устранить указанный нежелательный случай не за счет снижения скорости поиска, а путем согласования движения всех двигателей. Для этого достаточно предусмотреть снижение скорости движения схвата вдоль стола при возрастании скорости движения поперек стола или поворота схвата.
Итак, если в поле зрения глаза попал край некоторого предмета, то можно предусмотреть движение в первую очередь поперек стола, погасив при этом скорости поворота схвата и движения вдоль стола. Как только схват сместится до расположения предмета в середине поля зрения глаза, когда скорость движения поперек стола уменьшится до нуля, можно разрешить поворот схвата, по-прежнему сохраняя погашенной скорость движения вдоль стола. И, например, когда предмет окажется в середине поля зрения и правильно сориентированным, т.е. когда и Е⁽¹⁾= 0, и Е⁽²⁾= 0, скорость движения вдоль стола восстанавливается до значения, заданного в процессе обучения.
Практические согласования движений двигателей осуществляются следующим образом. Предварительно отсоединяют от системы управления двигатели. Затем располагают искомый предмет в поле зрения так, чтобы сигналы управления двигателями смещения поперек стола Е⁽²⁾ и поворота Е⁽³⁾ имели большое, например положительное значение, т.е. при этом двигатели стремились бы сместить схват поперек стола дальше от робота (выдвижение руки) и повернуть схват по или против часовой стрелки. Согласование осуществляют с помощью настройки потенциометров 4 дополнительного блока 13 постоянного запоминающего устройства.
Сначала определяют тот канал внутренней обратной связи 14, который связан с выходом 11 второго двигателя (Е⁽²⁾) и по которому течет ток (по второму парному каналу ток течь не может, так как отсекается диодом). После этого смещают скользящие контакты потенциометров 4 первой и третьей пар столбцовых шин, соединенные с выявленным каналом внутренней обратной связи, в ту сторону и на столько, чтобы уменьшить сигналы Е⁽¹⁾ и Е⁽²⁾ до нуля. После этого указанную процедуру повторяют при расположении искомого предмета с противоположной стороны поля зрения глаза. Таким образом добиваются снижения скоростей движения схвата вдоль стола и поворота при возникшем движении поперек стола.
Затем располагают искомый предмет по центру поля зрения (Е⁽²⁾=0), но с перекосом в ту или другую сторону, и настраивают потенциометр первой пары столбцовых шин, соединенных с выходом 11 третьего двигателя, так, чтобы уменьшить сигнал Е⁽¹⁾. Процедуру повторяют при перекосе искомого предмета в обратную сторону. На этом требуемое согласование движений всех трех двигателей закончено.
Указанное согласование можно осуществить в процессе обучения путем изменения обучаемой выборки. Для этого придется увеличить число ситуаций и изменить сами ситуации, дополнив ряд показаний рецепторов b₁^р, b₂^р, . . . , b_m^р показаниями внутренних обратных связей: b₁₁^M, b₁₂^M, b₂₁^M, . . . , b_n1^M, b_n2^M.
Составим обучаемую выборку для первого двигателя с учетом согласования. Сохраним неизменными первые три ситуации, приняв в них равными нулю токи всех обратных связей: b^M = 0, – и дополним их следующими ситуациями.
Четвертая ситуация: в поле зрения глаза край любого предмета (требуется смещение схвата поперек стола в сторону от робота). Замеры дадут b₄₁^р, b₄₂^р, ... , b_4m^р, и кроме этого ряд необходимо дополнить показаниями внутренних обратных связей, среди которых все b^M=0, кроме b₂₁^M = kE⁽²⁾>0, Коэффициент k учитывает снижение тока потенциометром 4.
Пятая ситуация: в поле зрения глаза край того же предмета, но с противоположной стороны. Замеры дадут b₅₁^р, b₅₂^р, ... , b_5m^р, дополнительно к этому все b^M =0, кроме b₂₂^M =kE⁽²⁾ <0.
Шестая ситуация: в поле зрения глаза искомый предмет, повернутый на 45° по часовой стрелке. Замеры дадут b₆₁^р, b₆₂^р, ... , b_6m^р, дополнительно к этому все b^M =0, кроме b₃₁^M =kE⁽³⁾ >0.
Седьмая ситуация: а поле зрения глаза искомый предмет, повернутый на 45° против часовой стрелки. Замеры дадут b₇₁^р, b₇₂^р, . . . , b_7m^р, дополнительно к этому: b^M = 0, кроме b₃₂^M = kE⁽³⁾ > 0.
На этом формирование обучаемой выборки первого двигателя заканчивается. Также можно дополнить и изменить обучаемую выборку третьего двигателя. В остальном процесс обучения сохраняется прежним.
Работает обучаемая система управления следующим образом. После завершения обучения система подсоединяется к объекту управления, например, роботу и на нее подается напряжение U источника питания 12. Электрический ток идет от одной клеммы источника питания 12, проходит через резисторы рецепторов 2, выходит на строчные шины 5 матрицы 3, далее проходит через потенциометры 4, идет по столбцовым шинам 6 и 7 и через нагрузочные резисторы 10 возвращается на вторую клемму источника питания 12. В результате на парных столбцовых шинах 6 и 7 возникает разность потенциалов. На эту разность повлияет также ток, идущий с соседних усилителей 9, проходящий по каналам внутренней обратной связи 14, выходящий на строчные шины дополнительного блока 13 и через потенциометры 4 выходящий на ту же пару столбцовых шин 6 и 7. Разность потенциалов пары столбцовых шин усиливается двуполярными усилителями 9 и подается в виде сигналов управления Е с выходов 11 для управления скоростью двигателя. Сигнал управления Е может быть как положительным, так и отрицательным. Каждый рецептор 2 и каждая внутренняя обратная связь 14 в каждой ситуации выдают на выход 11 свои доли e_ij сигнала управления. В результате фактический сигнал управления Е_f определится как сумма всех долей:

В процессе экспериментального изучения возможностей обучения робота ТУР-10К с технической нервной системой решению сложных задач и во время теоретических исследований возникла проблема: как обучить робот переключению на решение задач, противоположных по своим целям, например переключению с задачи поиска на задачу уклонения? Как часто бывает в таких случаях, обратились за советом к природе. Было высказано предположение, что рецепторы очувствления животных и человека разделены на группы, а переключение с одной задачи на другую осуществляется переключением внимания от информации одной группы рецепторов на информацию от другой. В качестве иллюстрации можно привести следующий пример. Когда водитель управляет автомобилем, он руководствуется в основном информацией, получаемой от органов зрения, но появление звуков, нехарактерных для нормальной работы двигателя, заставляет водителя переключиться на слуховую информацию и на выполнение новой задачи – поиска неисправности двигателя. Идея разделения рецепторов на группы была оформлена в виде заявки на изобретение, на которую был получен патент [79]. Описание изобретения приведено ниже.
На рис.3.3 представлена электрическая схема обучаемого устройства управления. Устройство содержит технические органы чувств 1, состоящие из рецепторов 2 очувствления в виде чувствительных датчиков, технический мозг в виде матрицы 3 аналоговых резистивных элементов 4, соединенных строчными шинами 5 с рецепторами очувствления 2, а парными столбовыми шинами 6 и 7 через нагрузочные резисторы 10 с источником питающего напряжения постоянного тока 16, блок усилителей 8, содержащий двуполярные усилители 9, входы которых соединены с парными столбцовыми шинами 6 и 7, а выходы 11 которых являются выходами устройства. Кроме того, устройство включает блок 13 элементов коммутации, состоящий из трех групп элементов 14 коммутации, один вход каждого из которых соединен с источником 16 питающего напряжения, а выход – с отдельной питающей шиной 12 одной из групп рецепторов, элементы коммутации 14 третьей группы выполнены в виде выключателей с ручным управлением, управляющие входы элементов 14 первой группы предназначены для подключения к внешним системам, управляющие входы элементов 14 второй группы – к выходам пороговых элементов 17, установленных на выходах части усилителей 9. Питающие шины 12 групп рецепторов 2 соединены меж дусобой через разделительные резисторы 15.

Рис.3.3. Схема обучаемой системы управления с группами рецепторов

На схеме указаны следующие обозначения: C₁^фр, C₂^фр,..., C_m^фр – электрические проводимости рецепторов 2 (индекс внизу обозначает порядковый номер рецептора); m – общее количество рецепторов очувствления; E⁽¹⁾, E⁽²⁾, . . . , E⁽ⁿ⁾ – сигналы управления на выходах усилителей 9; n – общее количество усилителей 9 устройства;. V – количество элементов 14, управляющие входы которых подсоединены к соответствующим выходам пороговых элементов 17, установленных на выходах 11 части усилителей 9; U – напряжение источника 16.

Объединение рецепторов очувствления в группы с отдельными питающими шинами 12 может соответствовать техническим органам чувств: одна группа рецепторов может принадлежать одному техническому глазу, другая – другому глазу, третья – техническому уху, четвертая – технической коже и т.д. Объединение рецепторов в группы может быть осуществлено и внутри отдельного технического органа чувств, например технического глаза. Рецепторы разных групп при этом могут быть распределены равномерно по сетчатке глаза или концентрироваться в определенных областях сетчатки. Отдельная питающая шина 12 может иметь ряд постоянно разомкнутых и постоянно замкнутых параллельных и последовательных элементов 14 с источником 16 и на каждый контакт отдельную пару столбцов 6 и 7, усилитель 9 и пороговый элемент 17, выходы которого соединены с управляющими входами элемента 14. Замыкание питающей шины с источником питания напрямую выделяет ее группу рецепторов среди остальных, т.е. их доля в формировании сигналов управления Е исполнительными органами резко возрастает, что можно назвать концентрацией внимания объекта управления на информации, получаемой от этой группы рецепторов. Величина этой доли определяется, в частности, сопротивлениями резисторов 16, соединяющих питающие шины между собой. Так, если отдельная питающая шина вообще не имеет соединений с остальными (сопротивление резисторов 15 равно бесконечности), а источник питания замкнут только с ней, то величины сигналов управления исполнительными двигателями определяются только группой рецепторов этой питающей шины. И чем ниже сопротивление резисторов 15, тем доля рецепторов отдельной группы в формировании сигнала управления Е меньше. Величины сопротивлений резисторов 15, соединяющих питающие шины 12, могут определяться из условий задач, решаемых объектом управления. Так если объект, например робот с техническим глазом, должен решать две задачи: поиск предметов, отличающихся от фона, и затем уклонение от этих же предметов, – то очевидно, что рецепторы сетчатки глаза должны быть разделены на две группы, равномерно распределенные по площади сетчатки, например в шахматном порядке. При этом одна группа должна формировать сигнал управления, заставляющий робот перемещаться в сторону предмета (сигнал Е в этом случае – положительный), а другая группа должна формировать сигнал управления, перемещающий робот от предмета (сигнал Е – отрицательный). Сопротивление между питающими шинами обеих групп в этом случае должно быть большим или равным бесконечности, когда шины вообще не соединены. Если объект, например транспортный робот, имеет два технических глаза, решающих задачи уклонения от препятствий, но с разных сторон робота, то оба глаза должны одинаково реагировать на препятствия, и, следовательно, сопротивление между питающими шинами обеих групп рецепторов, соответствующих разным глазам робота, должно быть небольшим или равняться нулю. В общем случае сопротивления резисторов, соединяющих питающие шины, определяются тем, какие доли в формировании сигналов управления вносят отдельные группы рецепторов при решении объектом управления поставленных перед ним задач.
Переключение объекта управления на решение различных задач осуществляется при помощи трех групп элементов 14. Одну из этих групп образуют элементы коммутации, управляющие входы которых соединены с выходами пороговых элементов 17, установленных на выходах части усилителей 9, входы которых, в свою очередь, соединены с парными столбцовыми шинами 6 и 7 матрицы 3 технического мозга, соединенной строчными шинами с рецепторами очувствления. Таким образом, замыканием и размыканием контактов элементов 14 этой группы осуществляется ситуация, воспринимаемая рецепторами технических органов чувств устройства. Другую группу образуют элементы 14, управляющие входы которых предназначены для подключения к внешним системам. Ими могут быть обучаемые устройства управления других объектов, системы числового программного управления различного оборудования, ЭВМ систем автоматизированного управления и т.д. Если, например, робот с обучаемым устройством управления предназначен для обслуживания металлорежущего станка, то система ЧПУ станка может переключать робот с решения задачи поиска заготовки и установки ее в приспособление на решение задачи поиска уже изготовленной детали и ее складирования при помощи элементов этой группы. Другую группу образуют элементы 14, выполненные в виде выключателей, замыкание и размыкание которых осуществляется вручную человеком. Эти контакты могут быть использованы, например, для переключения объекта на решение необходимых задач при переходе к обработке другой серии деталей.
Число различных задач, решению которых можно обучать робот, оснащенный данной системой, определяется числом возможных комбинаций распределений питания рецепторов (кроме случая, когда питание не подается ни на одну группу). Если принять число групп рецепторов за G , то число таких комбинаций будет равным:

Устройство работает следующим образом. Допустим, обучаемое устройство управления установлено на промышленном роботе, предназначенном для сборки узлов. В качестве органа чувств используют технический глаз, установленный на схвате робота. Цель – обучение робота выполнению двух задач: поиску детали, устанавливаемой в собираемый узел, а затем – поиску собираемого узла для установки в него этой детали. Для решения поставленных задач рецепторы сетчатки глаза разделяют на две группы, равномерно распределенные по сетчатке. Питающие шины обеих групп, соединенные через резистор, имеют спаренные контакты 6 с источником питания; при замыкании электрического контакта одной питающей шины контакт другой питающей шины размыкается и наоборот. Замыкание контактов осуществляется пороговыми элементами. При замыкании первого контакта робот ищет деталь. Когда деталь найдена, срабатывают схват робота и второй пороговый элемент, замыкающий контакт второй шины с источником питания, а затем робот решает вторую задачу – поиск собираемого узла. Сначала необходимо определить стратегию поведения робота. Тот его двигатель, который перемещает схват и установленный на нем глаз вдоль стола с размещенными на нем различными предметами, должен работать в заданном направлении в тех случаях, когда в поле зрения глаза либо нет предметов, либо есть, но посторонние, и должен останавливаться в том случае, когда в поле зрения находится сориентированный искомый предмет (деталь или узел). Другой двигатель, смещающий схват в направлении, поперечном направлению движения первого двигателя, должен работать в ту или другую сторону при попадании в поле зрения какого-либо предмета так, чтобы этот предмет оказался на центральной оси поля зрения технического глаза, расположенной вдоль направления движения первого двигателя. Третий двигатель должен вращать схват в ту или иную сторону в зависимости от перекоса предмета в поле зрения и, когда искомый предмет находится в заданном положении, двигатель должен остановиться. Какой предмет является искомым в данный момент, определяется замыканием контактов элементов коммутации 14 питающих шин 12. Обучение проводят отдельно для каждого двигателя и одновременно для всех задач.
Предварительно нумеруют все резисторы 2, в данном случае фоторезисторы сетчатки и соответствующие им строки 5 матрицы 3 технического мозга. Расположение фоторезисторов на сетчатке и их нумерация – произвольные. Обучение начинают с первого двигателя, управление которым осуществляет первая пара столбцов 6 и 7 матрицы 3 с сигналом E⁽¹⁾. Ситуацию в обучаемую выборку подбирают исходя из стратегии поиска. Перед началом обучения все скользящие контакты потенциометров 4 необходимо выставить в среднее положение.
Первая задача – поиск детали, устанавливаемой в собираемый узел. Контакт одной из питающих шин при этом замкнут. Этот контакт – первый.
Первая ситуация: глаз видит стол без предметов. При этом необходимо замерить токи, проходящие через фоторезисторы 2 сетчатки технического глаза. Для этого каждый фоторезистор 2 отсоединяют от соответствующей ему строчной шины 6 и замыкают их через амперметр. После снятия показания фоторезистор снова соединяют со строчной шиной и переходят к следующему фоторезистору. Величина тока, проходящего через отдельный фоторезистор сетчатки, определяется по закону Ома величиной питающего напряжения, которая зависит от того, какие контакты питающих шин замкнуты при решении данной задачи, и проводимостью самого фоторезистора C^фр, определяемой его характеристикой и степенью освещенности в данной ситуации. Обозначим полученные значения токов через b₁₁, b₁₂, . . . , b_1m, где первый индекс означает номер ситуации, а второй – номер фоторезистора. Следовательно, по стратегии поиска предметов сигнал управления, подаваемый с первой пары столбцов на первый двигатель в первой ситуации, должен быть положительным: E₁⁽¹⁾ > 0. Следует оговорить эту величину, но нужно иметь в виду, что она может иметь широкий диапазон изменения. Другими словами, задают такое допустимое отклонение сигнала управления d₁⁽¹⁾, которое позволяет только сохранить направление движения, т.е. сохранить знак сигнала управления E₁⁽¹⁾ и не превысить предельную скорость перемещения исполнительного органа.

Вторая ситуация: глаз видит посторонний предмет. Им в данном случае является собираемый узел. Необходимо повторить замеры и представить их в виде: b₂₁, b₂₂, . . . , b_2m. Сигнал управления E₂⁽¹⁾ в этой ситуации принимаем таким же, как и в первой ситуации.
Третья ситуация: глаз видит искомую деталь в заданном положении. Замеры дадут: b₃₁, b₃₂, . . . , b_3m. Сигнал управления в этой ситуации согласно стратегии поиска должен быть равен нулю: E₃⁽¹⁾ = 0. Допустимое отклонение d₃⁽¹⁾ сигнала управления должно быть настолько малым, чтобы гарантировать остановку первого двигателя, т.е. оно не должно превышать значение сигнала управления, необходимого для преодоления момента трения двигателя. Третья ситуация является целевой в задаче поиска детали. Целевых ситуаций для одного предмета может быть несколько с различной ориентацией предмета в поле зрения технического глаза.
Формирование ситуаций для решения первой задачи закончено. Далее следует подбор ситуаций в обучаемую выборку для решения второй задачи – поиска собираемого узла. Замкнутым в этом случае является второй контакт, соединяющий вторую питающую шину с источником питания, а первый контакт разомкнут.
Четвертая ситуация: зрительно она совпадает с третьей, т.е. в поле зрения первая деталь. Однако значения токов на выходах фоторезисторов другие, так как питающее напряжение их поменялось: теперь оно больше для второй группы рецепторов, чем для первой. Итак, b₄₁, b₄₂, . . . , b_4m. Сигнал управления в этой ситуации – положительный и может иметь то же значение, что и для первой и второй ситуаций.
Пятая ситуация: зрительно эта ситуация совпадает со второй, т.е. в поле зрения глаза находится искомый предмет для второй задачи – собираемый узел. Но замеры в этой ситуации дают другие значения: b₅₁, b₅₂, . . . , b_5m. Эта ситуация является целевой для второй задачи. Сигнал управления первым двигателем в этой ситуации равен нулю с допустимым отклонением d₅⁽¹⁾ = d₃⁽¹⁾.
Таким образом, переключение питания групп рецепторов позволяет избежать противоречивости при обучении обучаемого устройства управления, т.е. в одних и тех же зрительных ситуациях позволяет задавать разные сигналы управления для одного двигателя в зависимости от решаемой объектом задачи. На этом формирование обучаемой выборки для обучения первого двигателя закончено.
На следующем этапе обучения производят расчеты долей e_i сигнала управления, которые формируются на выходе 11 усилители 9 первой пары столбцовых шин каждым i-ым рецептором 2 и соответствующим ему i-ым потенциометром 4. Для этого одну из ситуаций обучаемой выборки принимают за опорную, и далее доли e_i пересчитывают относительно этой выбранной опорной ситуации. Обозначают доли сигнала управления в опорной ситуации через e_оi. В качестве опорной удобно принимать одну из целевых ситуаций, например третью. Порядок расчета предусматривает поочередное предъявление ситуаций и поочередный расчет долей сигнала управления в опорной ситуации. Расчет повторяется до тех пор, пока ошибка сигнала управления D Е_j⁽¹⁾ в каждой ситуации обучаемой выборки не оказывается меньше допустимого отклонения d_j⁽¹⁾. Исходные значения долей сигнала управления принимают равными нулю.

На следующем этапе обучения производят настройку потенциометров 4 по методике, аналогичной той, которая используется для настройки системы, показанной на рис.3.1. После завершения настройки потенциометров 4 первой пары столбцовых шин 6 и 7, т.е. после обучения первого двигателя, переходят к обучению второго двигателя, руководствуясь при этом принятой стратегией поведения робота и той же методикой, которая применялась при обучении первого двигателя.
Пороговые элементы 17 обучают по подобной методике, но стратегия их работы иная. Они могут использоваться для переключения контактов элементов 14 питающих шин, а также для управления работой схвата. Условием срабатывания порогового элемента может быть целевая ситуация, когда в поле зрения располагается найденный искомый предмет и его требуется захватить с помощью схвата и перейти к решению следующей задачи.
Работает обучаемое устройство управления следующим образом. По завершении обучения устройство подключается к объекту управления и на него подается напряжение U источника 16. Каждый рецептор 2 в каждой ситуации выдает на выход 11 свою долю e_ij сигнала управления E_j, определяемую проводимостью рецептора C_ij^фр, величиной питающего напряжения и смещением скользящего контакта соответствующего потенциометра 4. В результате фактический сигнал управления E_f определяется как сумма долей сигнала всех рецепторов:

где: g₁ – число рецепторов первой группы, g₂ – число рецепторов второй группы, g₃ – число рецепторов третьей группы и т.д., g_G – число рецепторов G-ой группы.

Если замкнуть контакт элементов 14 первой питающей шины, то на выходе 11 первого усилителя 9 сформируется сигнал управления E_f⁽¹⁾, соответствующий тому, что попадает в поле зрения технического глаза, т.е. этот сигнал будет равен нулю в тех случаях, когда в поле зрения технического глаза оказывается первый искомый предмет (деталь) с заданной ориентацией, и будет положительным, когда в поле зрения глаза фон или собираемый узел. Следовательно, первый двигатель робота будет смещать схват с глазом вдоль стола в одном направлении до тех пор, пока в поле зрения не попадет правильно ориентированная деталь, и только в этом случае двигатель остановится. Действия первого двигателя будут успешными, что подтверждает контрольная проверка сигналов управления первого усилителя 9 после завершения обучения. Такими же успешными оказываются действия второго и третьего двигателей, если обучение проведено правильно. Как видно из стратегии обучения, второй и третий двигатели робота смещают и поворачивают глаз так, чтобы искомый предмет оказался в поле зрения правильно ориентированным вне зависимости от его положения на столе. Таким образом, все двигатели робота, действуя согласованно, обеспечивают поиск заданного предмета. Если же замкнуть контакт элемента коммутации 14 второй питающей шины, разомкнув при этом первый, то очевидно будет осуществлен поиск второго заданного предмета (собираемого узла). В целевых ситуациях сигнал управления равен нулю, т.е. поиск предметов гарантирован. Что касается скорости движения при поиске, то она при большей освещенности больше, а при меньшей – меньше, т.е. при ярком освещении движения робота при поиске предметов будут ускоренными, а при слабом освещении – замедленными.

Как известно [42], в глазах животных имеются рецепторы двух типов: первые реагируют на увеличение освещенности, а другие – на уменьшение. Цель данной разработки [80] – расширение информационных возможностей технических органов чувств путем введения рецепторов с противоположным возбуждением.
Параллельно с каждым рецептором очувствления, возбуждающимся при усилении внешнего воздействия на него, устанавливается другой, электрический ток через который увеличивается при ослаблении внешнего воздействия на первый рецептор. Таким образом, этот другой рецептор имеет противоположное возбуждение по отношению к первому. Все дополнительные рецепторы с противоположным возбуждением совмещены со строчными шинами технического мозга и формируют сигналы управления системы наравне с основными рецепторами.
Технический орган чувств, оснащенный дополнительными рецепторами с противоположным возбуждением, способен реагировать не только на увеличение внешнего воздействия на него, но и на уменьшение. Таким образом расширяются информационные возможности технических органов чувств. Так, например, обучаемая система управления с техническим глазом, имеющим дополнительные рецепторы с противоположным возбуждением, способна формировать управляющие сигналы не только под воздействием светлых пятен обозреваемых сцен, но и темных. Дополнительные рецепторы с противоположным возбуждением могут быть также в технической коже, в техническом ухе и т.д.
В технический мозг включены дополнительные строчные шины по числу рецепторов очувствления. Каждая дополнительная строчная шина соединена со входом отдельного рецептора очувствления через резистор, который образует с соответствующим рецептором пару и выполняет по отношению к нему функции рецептора с противоположным возбуждением. Каждая такая пара подключена к источнику питания через дополнительный резистор, предназначенный для стабилизации тока в этой паре.
На рис.3.4 представлена принципиальная схема обучаемой системы управления. Она содержит технические органы чувств 1, состоящие из наборов рецепторов очувствления 2, технический мозг 3 в виде матрицы аналоговых резисторных элементов 4, строчные шины которой совмещены с рецепторами очувствления 2, а столбцовые шины 6 и 7 объединены попарно, и усилители 8, со входами каждого из которых соединены отдельные парные столбцовые шины 6 и 7. Каждая столбцовая шина имеет нагрузочный резистор 9. Выходы 10 усилителей 8 являются выходами системы на управляемые исполнительные органы. Технический мозг 3 включает еще одну группу строчных шин 11, совмещенных с выходами 10 системы.
В технические органы чувств 1 системы введены дополнительно резисторы 12, каждый из которых встроен в цепь между входом отдельного рецептора очувствления 2 и дополнительной отдельной строчной шиной 13 технического мозга 3. Отдельный рецептор очувствления 2 с отдельным резистором 12 образует пару, которая через резистор 14 подключена к источнику питания 15. На схеме изображены также формирователь импульсов 16, подключенный к клемме повышенного напряжения источника питания 15, и переключатель 17, дающий возможность подключать формирователь импульсов 16 к столбцовым шинам 6 и 7 технического мозга 3 в процессе обучения системы.

Рис.3.4. Схема обучаемой системы с парными рецепторами

На схеме указаны обозначения: U – напряжение источника питания 15; R_ст – сопротивление резистора 14, стабилизирующего ток соответствующей пары: рецептора очувствления 2 и резистора 12; R_с – сопротивление рецептора очувствления 2; R_т – сопротивление резистора 12; E⁽¹⁾, E⁽²⁾, ... , E⁽ⁿ⁾ – сигналы управления исполнительными органами объекта управления (на схеме исполнительные органы не показаны) (индекс вверху обозначает порядковый номер исполнительного органа); n – общее количество исполнительных органов; I(t), U(t) – генерация импульсов тока (напряжения).

Результирующий сигнал управления E_f^(k) каждой в отдельности пары столбцовых шин 6 и 7 в конкретной ситуации j образуется как сумма элементарных долей e_ij , подаваемых рецепторами 2 и 12 и дополнительно выходами 10 через группу строчных шин 11:

где: e_ij^(с) – доля сигнала управления от светового активного резистора (фоторезистора); e_ij^(т) – доля сигнала управления от темнового пассивного резистора.

Если внешнее воздействие на какую-то группу активных рецепторов 2 окажется малым, то их вклад (их долевое участие) в результирующий сигнал управления E_f^(k) окажется также малым и почти независящим от соответствующих проводимостей c_i. В этом случае активные рецепторы 2 оказываются как бы отстраненными от управления объектом. И только введение пассивных рецепторов 12 устраняет этот недостаток. Все пассивные рецепторы 12, парные со слабо возбужденными активными рецепторами 2, подадут на соответствующие строчные шины 13 повышенные напряжения и тем самым примут активное участие в формировании результирующего сигнала управления. На примере обучаемой системы управления с техническим глазом это означает, что объект управления будет соответствующим образом реагировать не только на светлые пятна обозреваемых сцен, но и на темные. Это позволит решать задачи поиска-уклонения как с предметами более светлыми чем фон, так и более темными, а также работать с предметами, имеющими участки темнее и светлее фона.
Парными пассивными рецепторами 12 могут быть дополнены активные рецепторы осязания и давления технической кожи, которой могут быть покрыты, например, ладони схвата робота. Информационные возможности технической кожи при этом расширятся, и обучаемая система управления сможет принимать более сложные решения при захвате или ощупывании предметов.
Установка резисторов 14, стабилизирующих ток в парных рецепторах 2 и 12, кроме своего основного назначения нейтрализует пробои рецепторов. Без таких резисторов в случае пробоя любого рецептора доля его в общем сигнале управления сильно возрастала бы, и это выводило бы из строя всю систему. При наличии резисторов 14 этот дефект почти полностью устраняется.

Рис.3.5. Схема обучаемой системы управления

На рис.3.5 представлена схема такой обучаемой системы управления. Она содержит источник постоянного тока 1, регулятор мощности питания рецепторов 2, распределитель питания рецепторов 3, питающие шины рецепторов выходных сигналов технического мозга 4, питающие шины рецепторов очувствления 5, питающие шины рецепторов внешних систем 6, питающие шины рецепторов обучения 7, набор рецепторов технической нервной системы 8, состоящий из рецепторов выходных сигналов технического мозга 9, рецепторов очувствления 10, рецепторов внешних управляющих систем 11 и рецепторов обучения 12, рецепторов распределения питания рецепторов 13, технический мозг 14 в виде матрицы регулируемых резисторных элементов (на схеме не показаны), соединяющих через диодные элементы (на схеме не показаны) строчные шины 15 матрицы со столбцовыми шинами 16, усилители выходных сигналов технического мозга 17, распределитель выходных сигналов технического мозга 18, выходы которого 19 являются выходами системы на исполнительные органы объекта управления. Кроме этого техническая нервная система содержит активное устройство обучения 20, включающее источник питания устройства обучения 21, регулятор мощности сигналов обучения 22, распределитель сигналов обучения 23, выходы которого 24 соответствуют столбцовым шинам матрицы мозга, и преобразователи проводимостей резисторных элементов матрицы мозга (на схеме не показаны). Столбцовые шины 16 матрицы мозга объединены попарно и разделены на группы вместе с соответствующими им усилителями 17: группа пар столбцовых шин 25 с выходами усилителей 26, предназначенная для управления исполнительными органами объекта управления, группа пар столбцовых шин 27 с выходами усилителей 28, предназначенная для управления распределителем 18 выходных сигналов технического мозга, группа пар столбцовых шин 29 с выходами усилителей 30, предназначенная для управления регулятором мощности 2 питания рецепторов, группа пар столбцовых шин 31 с выходами усилителей 32, предназначенная для управления распределителем питания 3 рецепторов, группа пар столбцовых шин 33 с выходами усилителей 34, предназначенная для управления регулятором 22 мощности сигналов обучения, группа пар столбцовых шин 35 с выходами усилителей 36, предназначенная для управления распределителем 23 сигналов обучения. Часть управляющих входов регулятора мощности 2 питания рецепторов, распределителя питания рецепторов 3, распределителя выходных сигналов технического мозга 18, регулятора мощности сигналов обучения 22, распределителя сигналов обучения 23 предназначена для подключения к выходам внешних управляющих систем 37. Рецепторы мозга имеют управляющие входы 38, предназначенные для получения выходных сигналов усилителей мозга и распределителя выходных сигналов мозга. Рецепторы распределения питания имеют управляющие входы 39, предназначенные для получения выходных сигналов распределителя питания рецепторов.

Рис.3.6. Схема технического мозга с устройством обучения

Рис.3.7. Рецептор выходных сигналов технического мозга__ Рис.3.8. Рецептор очувствления__________

_________Рис.3.9. Рецептор обучения____________ Рис.3.10. Рецептор распределения питания

Рис.3.11. Схема распределителя выходных сигналов

Рис.3.12. Схема распределителя питания рецепторов

Рис.3.13. Схема распределителя сигналов обучения

Распределитель содержит электронно управляемые элементы коммутации 40, входы которых соединены с выходами 36 усилителей отдельной группы пар 35 (рис.3.5) столбцовых шин технического мозга и управляющими выходами внешних управляющих систем 37. Выходы 24 элементов коммутации 40 соединены через резисторы 47 с нулевой клеммой двуполярного источника питания постоянного тока 21 и являются выходами распределителя сигналов обучения.
На рис.3.14 показан пример выполнения регулятора мощности питания рецепторов 2, совпадающий с примером выполнения регулятора мощности сигналов обучения. Регулятор содержит сумматор 70 управляющих сигналов выходов 30 усилителей отдельной группы пар 29 (рис.3.5) столбцовых шин матрицы мозга и управляющих сигналов выходов 37 внешних систем, а также регулятор проводимости 71 резистора 72. Один контакт резистора 72 является входом 73 регулятора, соединенным с клеммой источника питания 1, а другой контакт резистора 72 является выходом 74 регулятора мощности.

Рис.3.14. Схема регулятора мощности питания рецепторов

На схемах указаны обозначения: U_пит – напряжение источника питания рецепторов; U_об – напряжение источника питания активного устройства обучения; b₁, b₂, . . . , b_m – выходные сигналы рецепторов; E₁, E₂, . . . , E_n – выходные сигналы распределителя выходных сигналов технического мозга.

Техническая нервная система содержит активное устройство обучения 20. Оно включает генератор сигналов обучения 21, представляющий собой источник питания устройства обучения постоянного тока, одна клемма которого соединена со входом регулятора мощности сигналов обучения 22. Выход регулятора 22 соединен со входами элементов коммутации 40 распределителя сигналов обучения 23. Выходы 24 элементов коммутации являются выходами распределителя сигналов обучения 23, которые соответствуют столбцовым шинам матрицы технического мозга и соединены с преобразователями 41 сигналов обучения в изменение проводимости регулируемых резисторных элементов 42 матрицы мозга. Каждый преобразователь 41 соответствует отдельному резисторному элементу 42 матрицы и содержит перемножитель сигналов 44: сигнала от строчной шины, соединенной с данным резисторным элементом, и сигнала обучения от выхода распределителя сигналов обучения 23, соответствующего той столбцовой шине матрицы, с которой соединен данный регулируемый элемент 42. Выход перемножителя 44 соединен с управляющим входом регулятора проводимости 45 резисторного элемента 42 матрицы мозга, изменяющего его проводимость пропорционально управляющему сигналу. В качестве таких регуляторов проводимости могут быть использованы электромеханические, электрохимические, электронные и другие преобразователи. Выходы 24 распределителя сигналов обучения 23 соединены также через нагрузочные резисторы 47 с другой клеммой источника питания 21 устройства обучения 20. Состояние элементов коммутации 40 распределителя сигналов обучения 23 (включен-выключен) определяет, какие столбцовые шины и соответствующие им регулируемые резисторные элементы 42 матрицы технического мозга участвуют в обучении объекта с технической нервной системой решению текущей задачи. При переходе к обучению решению другой задачи соответствующим образом изменяется состояние элементов коммутации 40, включая в обучение другие пары столбцовых шин и соответствующие им резисторные элементы 42 матрицы мозга.
Выходы всех усилителей 17 выходных сигналов технического мозга и выходы распределителя выходных сигналов 18 технического мозга соединены с управляющими входами рецепторов 9 выходных сигналов технического мозга. Одновременно выходы усилителей группы пар столбцовых шин 29 соединены с управляющими входами 30 регулятора мощности 2 питания рецепторов. Выходы усилителей группы пар столбцовых шин 31 соединены с управляющими входами 32 распределителя питания 3 рецепторов. Выходы усилителей группы пар столбцовых шин 33 соединены с управляющими входами 34 регулятора мощности 22 сигналов обучения. Выходы усилителей группы пар столбцовых шин 35 соединены с управляющими входами 36 распределителя сигналов обучения. Выходы усилителей группы пар столбцовых шин 27 соединены с управляющими входами распределителя выходных сигналов усилителей технического мозга. Кроме этого, управляющие входы регулятора мощности питания рецепторов, распределителя питания рецепторов, регулятора мощности сигналов обучения, распределителя сигналов обучения, распределителя выходных сигналов усилителей технического мозга подключены к выходам 37 внешних управляющих систем, которые, в свою очередь, соединены с управляющими входами рецепторов внешних систем. Распределитель выходных сигналов технического мозга, распределитель питания рецепторов и распределитель сигналов обучения могут включать в себя как электронно управляемые элементы коммутации, так и элементы коммутации, переключаемые механически, например вручную человеком, которого в этом случае можно рассматривать как внешнюю управляющую систему. Элементы коммутации распределителя выходных сигналов технического мозга, распределителя питания рецепторов и распределителя сигналов обучения могут быть выполнены в виде регуляторов плавно изменяющих проводимость резисторного элемента, соединяющего вход и выход элемента коммутации, от нуля до бесконечности в зависимости от величины сигнала управления, полученного с выхода усилителя технического мозга или от внешней управляющей системы.
Генератор сигналов обучения может быть выполнен в виде двуполярного источника питания постоянного тока 21 (рис.51), что позволяет изменять проводимость резисторных элементов мозга 42 как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Это расширяет диапазон изменения проводимостей резисторных элементов мозга при обучении и позволяет избежать возможности выхода проводимостей всех резисторных элементов на максимальный уровень, что делает невозможным дальнейшее обучение. Пример выполнения рецепторов обучения в этом случае совпадает с примером выполнения рецепторов выходных сигналов мозга и рецепторов внешних систем.
Значения выходных сигналов рецепторов можно назвать ощущениями. Если они вызваны внешними факторами – это внешние ощущения. К ним можно отнести ощущения холода, тепла, света, управляющие сигналы внешних систем и т.д., т.е. значения выходных сигналов рецепторов очувствления, а также рецепторов внешних управляющих систем. Ощущения системой самой себя, внутренние ощущения – это значения выходных сигналов технического мозга и распределителя выходных сигналов технического мозга, выведенные через рецепторы выходных сигналов технического мозга на строчные шины матрицы мозга, а также значения выходных сигналов рецепторов распределения питания и рецепторов обучения.
Предлагаемое устройство подсоединяется к объекту управления, например к роботу, т.е. выходы распределителя выходных сигналов усилителей технического мозга соединяются с управляющими входами исполнительных двигателей объекта управления и включается напряжение U_пит источника питания 1. Электрический ток идет от одной клеммы источника питания 1 на вход 73 регулятора мощности 2, идет через регулируемый резистор 72 и через выход 74 подается на вход 68 распределителя 3 питания рецепторов. Сопротивление резистора 72 устанавливается регулятором 71. В качестве регулятора может использоваться электродвигатель, регулируемый по скорости и перемещающий подвижный контакт резистора в зависимости от выходного сигнала сумматора 70, суммирующего сигналы 30 усилителей отдельной группы 29 пар столбцовых шин матрицы мозга и сигналы 37 внешних управляющих систем. Далее ток идет через элементы коммутации 69 распределителя питания 3 рецепторов на питающие шины 4, 5, 6, 7 групп рецепторов. Состояние элементов коммутации 69, т.е. значения их проводимостей, распределителя питания 3 рецепторов определяется управляющими сигналами выходов 32 усилителей отдельной группы 31 пар столбцовых шин матрицы мозга и сигналами 37 внешних управляющих систем. От значения проводимостей элементов коммутации 69 распределителя питания 3 рецепторов зависит величина тока питающих шин 4, 5, 6 и 7, что определяет концентрацию внимания объекта управления на информации, получаемой от определенных групп рецепторов. Разделение питания рецепторов может осуществляться по типам рецепторов: очувствления, мозга, внешних систем, обучения и распределения питания (внимания); по функциональному назначению: слуховые, зрения, тактильные и другие; по месту расположения и т.д. Ток питающих шин 4 проходит через транзисторные элементы 49, 50 и блоки задержки 51 рецепторов мозга 9, через выходы 52 которых подается на строчные шины 15 матрицы мозга. Величина тока на выходах отдельного рецептора мозга зависит от тока, поданного на вход 48 рецептора и сигнала, поданного на управляющий вход 38 рецептора с выхода отдельного усилителя технического мозга 17 или с отдельного выхода распределителя 18 выходных сигналов мозга. Ток питающих шин 5 проходит через транзисторные элементы 54, 56 и блоки задержки 59 рецепторов очувствления 10, через выходы 59 которых подается на строчные шины 15 матрицы мозга. Величина тока на выходах отдельного рецептора очувствления зависит от тока, поданного на вход 53 рецептора и от значения проводимостей резистора 57 и чувствительного элемента 55, проводимость которого определяется внешним воздействием на него. Причем, при освещении фоторезистора его проводимость возрастает, и ток подается на строчные шины 15 матрицы, соединенные с транзисторным элементом 54, а при затемнении проводимость фоторезистора стремится к нулю, и ток через резистор 57 идет на другие строчные шины 15, соединенные с транзисторным элементом 56. Ток питающих шин 6 проходит через транзисторные элементы 49, 50 и блоки задержки 51 рецепторов внешних систем 11, через выходы 52 которых подается на строчные шины 15 матрицы мозга. Величина тока на выходах отдельного рецептора внешних систем зависит от тока, поданного на вход 48 рецептора и сигнала, поданного на управляющий вход 38 рецептора с выхода внешней управляющей системы. Ток питающих шин 7 проходит через транзисторные элементы 61 и блоки задержки 62 рецепторов обучения 12, через выходы 63 которых подается на строчные шины 15 матрицы мозга. Величина тока на выходах отдельного рецептора обучения зависит от тока, поданного на вход 60 рецептора и сигнала, поданного на управляющий вход 24 рецептора с отдельного выхода распределителя сигналов обучения 23. Ток всех питающих шин 4, 5, 6 и 7 проходит через транзисторные элементы 64 и блоки задержки 65 рецепторов распределения питания 13, через выходы 66 которых подается на строчные шины 15 матрицы мозга. Величина тока на выходах отдельного рецептора распределения питания зависит от сигнала, поданного на вход 39 рецептора с выхода распределителя питания рецепторов 3. Разделение выхода каждого рецептора очувствления, выходных сигналов технического мозга, внешних систем, обучения и распределения питания на множество выходов повышает надежность технической нервной системы, а наличие блоков задержки на выходах рецепторов позволяет в каждый момент времени получать не только текущую информацию, но и ту, которая ей предшествовала, что позволяет, например, воспринимать набор звуков, растянутых во времени, как одно слово или предложение. Блоки задержки рецепторов реализуют функцию рецепторной памяти, которая позволяет учитывать динамику движения при обучении объекта и при его работе. Далее ток проходит через диодные элементы 43 и резисторные элементы 42 матрицы, с проводимостями c_i , идет по столбцовым шинам 16 и через нагрузочные резисторы 46 выходит на вторую клемму источника питающего напряжения 1. На парных столбцовых шинах возникает разность потенциалов, которая усиливается двуполярными усилителями 17:

где m – число выходов рецепторов системы (число строчных шин технического мозга); k_у – коэффициент усиления усилителя 17. Сигналы с выходов усилителей подаются на распределитель 18 выходных сигналов технического мозга, выходы которого 19 являются выходами системы, а выходные сигналы являются управляющими для исполнительных двигателей объекта управления. Движения исполнительных органов или реакции объекта управления, определяемые управляющими сигналами, формируют поведение объекта управления. Из приведенной формулы и схемы технической нервной системы следует, что управление объектом такой системой осуществляется практически в реальном времени и определяется только инерционностью рецепторов, т.к. сигналы с выходов рецепторов с задержками стремящимися к нулю мгновенно формируют сигналы управления на выходах технического мозга, а сигналы с выходов рецепторов с ненулевыми задержками позволяют учитывать при формировании сигналов управления ситуации, предшествующие текущей, причем, с разным временем отдаления от нее. Таким образом в управлении объектом учитывается динамика изменения ситуаций. Поскольку возбуждения рецепторов изменяются не мгновенно, и не мгновенно изменяется воспринимаемая рецепторами ситуация, то и выходные сигналы технической нервной системы изменяются плавно, т.е. объект управления с технической нервной системой характеризуется плавной динамикой его движений.

Сигналы выходов усилителей 17 отдельной группы 27 столбцовых шин матрицы технического мозга идут на управляющие входы 28 распределителя 19 выходных сигналов технического мозга. Сигналы выходов усилителей 17 отдельной группы 29 столбцовых шин матрицы технического мозга идут на управляющие входы 30 регулятора мощности питания рецепторов 2. Сигналы выходов усилителей 17 отдельной группы 31 столбцовых шин матрицы технического мозга идут на управляющие входы 32 распределителя питания рецепторов 3. Сигналы выходов усилителей 17 отдельной группы 33 столбцовых шин матрицы технического мозга идут на управляющие входы 34 регулятора мощности сигналов обучения 22. Сигналы выходов усилителей 17 отдельной группы 35 столбцовых шин матрицы технического мозга идут на управляющие входы 36 распределителя сигналов обучения 23. Одновременно на управляющие входы 37 распределителя выходных сигналов технического мозга, регулятора мощности питания рецепторов, распределителя питания рецепторов, регулятора мощности сигналов обучения и распределителя сигналов обучения приходят управляющие сигналы внешних управляющих систем. Управляющие сигналы усилителей технического мозга и внешних управляющих систем определяют состояние элементов коммутации распределителей питания и обучения и мощность питания рецепторов и сигналов обучения. Все это влияет на значения выходных сигналов управления технической нервной системы, определяя поведение объекта управления, оснащенного данной системой.
Прежде чем включить техническую нервную систему в работу, ее необходимо подготовить, обучить предварительным установочным навыкам, т.е. настроить регулируемые резисторные элементы технического мозга таким образом, чтобы обеспечить выполнение объектом управления поставленных перед ним задач.
Процесс обучения, заключающийся в формировании проводимостей регулируемых резисторных элементов мозга, аналогичен формированию условных рефлексов в живой природе. Если в какой-либо ситуации сигнал управления отдельным исполнительным органом не удовлетворяет обучателя, он через активное устройство обучения подает обучающий сигнал на соответствующий столбец матрицы технического мозга. Это можно осуществить, например, нажимая кнопку из токопроводящей резины, в виде которой выполнен элемент коммутации распределителя сигналов обучения. Чем сильнее усилие нажатие кнопки, тем больше значение обучающего сигнала, подаваемого на соответствующие преобразователи проводимостей резисторных элементов. При этом может исказиться сигнал управления данным исполнительным органом в другой ситуации. Его аналогично корректируют до требуемой величины. Затем переходят к следующей ситуации, соответствующей очередному шагу обучения. Проведя обучение во всех ситуациях обучаемой выборки, снова возвращаются к первой и т.д. На каждом шаге обучения происходит изменение проводимости на D c_i каждого i-го элемента матрицы мозга, соединенного со столбцом матрицы пропорционально сигналу b_i , поданному на строчную шину, и сигналу обучения на выходе распределителя сигналов обучения, который соответствует данной столбцовой шине:

где: D E – величина отклонения сигнала от требуемого значения; K – коэффициент пропорциональности, если K>1 – переобучение, если K<1 – недообучение, если K=1 , сигнал управления равен требуемому.

Рассмотрим процесс обучения и работы технической нервной системы на конкретном примере. Допустим, объект управления – робот, оснащенный технической нервной системой в виде технического глаза, совмещенного со схватом, имеет три степени подвижности с соответствующими исполнительными органами, оснащенными исполнительными двигателями, регулируемыми по скорости, т.е. скорость вращения двигателя пропорциональна сигналу управления на соответствующем выходе распределителя выходных сигналов технического мозга. Робот необходимо обучить поиску темных предметов на светлом фоне, используя несколько наиболее типичных ситуаций в обучаемой выборке, в которых определены требуемые сигналы управления каждым исполнительным органом, включая целевые ситуации, в которых сигнал управления отдельным двигателем равен нулю. При этом можно использовать так называемые обобщенные ситуации, т.е. ситуации не конкретных зрительных сцен, а включающих несколько или целый класс ситуаций. Задача поиска – основная задача технических нервных систем, практически любую сложную задачу можно разложить на ряд элементарных задач поиска. Под решением задачи поиска отдельного исполнительного двигателя понимается стремление объекта управления к такой ситуации, когда сигнал управления этим двигателем равен нулю.
Перед началом обучения определяют ситуации обучаемой выборки для каждой отдельной задачи, под которой понимается поиск одного из заданных предметов, а также определяют те пары столбцовых шин технического мозга, выходные сигналы которых будут использованы при решении каждой из задач. Именно эти пары столбцовых шин должны быть использованы и при обучении. Целевой ситуацией для задачи поиска является такая ситуация, когда глаз видит искомый предмет в заданном положении, сигналы управления двигателями при этом должны быть равны нулю. Другими ситуациями обучаемой выборки могут такие, когда искомый предмет находится в поле зрения робота, но смещен относительно целевой ситуации или повернут вокруг своей оси, а также ситуация когда предмета нет в поле зрения. Для каждой ситуации обучаемой выборки определяются значения сигналы управления исполнительными двигателями и производится обучение решению каждой из задач, т.е. формирование проводимостей регулируемых резисторных элементов технического мозга, соединенных с теми столбцовыми шинами матрицы, которые были выбраны для данной задачи.
Далее выбирают отдельные пары столбцовых шин для обучения переключению элементов коммутации распределителя выходных сигналов усилителей технического мозга таким образом, чтобы при выполнении одной задачи выходы распределителя переключались на другие столбцовые шины, соответствующие решению другой задачи. Такое переключение должно осуществляться в целевой ситуации, т.е. выходной сигнал переключающей пары столбцовых шин в этой ситуации должен превышать порог срабатывания элемента коммутации, во всех остальных ситуациях он должен быть меньше порогового значения. Обучение переключению элементов коммутации осуществляют аналогично обучению управлению исполнительными двигателями робота.
Часть пар столбцовых шин выделяется для управления переключением элементов коммутации распределителя сигналов обучения. Обучение их заключается в том, чтобы при выходе сигналов управления исполнительными двигателями за пределы допустимых значений переключать элементы коммутации распределителя сигналов обучения, соединяя регулятор мощности с тем выходом распределителя, который соответствует той столбцовой шине, увеличение проводимостей элементов которой позволяет довести сигнал управления исполнительным двигателем в данной ситуации до требуемого значения. При этом часть пар столбцовых шин выделяется для управления регулятором мощности сигналов обучения, которые обучаются регулировать мощность сигналов обучения в зависимости от величины отклонения сигналов управления исполнительным органом от требуемого значения в некоторой ситуации. Информация о величинах управляющих сигналов подается на строчные шины матрицы мозга через рецепторы выходных сигналов мозга.
Часть пар столбцовых шин выделяется для управления регулятором мощности питания рецепторов и обучаются повышать ее, например при обучении, что позволяет ускорить процесс. Информация об управляющих сигналах, подаваемых на распределитель сигналов обучения, также подается на строчные шины матрицы мозга через рецепторы выходных сигналов мозга и говорит о наличии или отсутствии процесса обучения. Информация о распределении и мощности сигналов обучения подается на строчные шины матрицы мозга через рецепторы обучения. Информация о распределении и мощности питания рецепторов подается на строчные шины матрицы мозга через рецепторы распределения питания.
Переключение элементов коммутации распределителя выходных сигналов усилителей технического мозга, элементов коммутации распределителя сигналов обучения, элементов коммутации распределителя питания рецепторов, управление регулятором мощности питания рецепторов, управление регулятором мощности сигналов обучения, переключение элементов коммутации рецепторов распределения питания осуществляются также управляющими сигналами внешних систем, например системами числового программного управления, взаимодействующего с роботом оборудования – станков или других роботов, управляющих компьютерных систем, возможно и ручное переключение человеком. Информация об управляющих сигналах внешних систем подается на строчные шины матрицы технического мозга через рецепторы внешних систем и позволяет устанавливать взаимодействие робота, оснащенного технической нервной системой, с другим оборудованием, определяя какое управляющее воздействие и от какого оборудования осуществляется в данный момент. Эта информация, в частности, может преобразовываться в выходные сигналы управления, переключающие систему на выполнение соответствующих задач.

Разделение выхода каждого из рецепторов очувствления, рецепторов выходных сигналов технического мозга, рецепторов внешних систем, рецепторов обучения, рецепторов распределения питания на множество выходов с блоками задержки сигналов, время задержки у которых различное и находится в широких пределах, позволяет учитывать при обучении и в работе не только текущую информацию, но и предшествовавшую ей, т.е. позволяет учитывать скорости движений объекта управления и внешних объектов, а также их производные.
Таким образом, число искомых предметов, точнее, число решаемых задач при использовании предлагаемого изобретения может быть расширено не только за счет количества групп рецепторов, но и за счет использования различных пар столбцов технического мозга при обучении: при поиске одного предмета исполнительными двигателями управляют те пары столбцов, которые обучались для поиска этого предмета, а при переходе к поиску следующего предмета управление двигателями переключается на другие пары столбцов, резисторные элементы которых обучены этому поиску. Таким образом, технический мозг делится на участки пар столбцовых шин, соответствующие различным задачам. Переключение осуществляется распределителем выходов мозга под воздействием управляющего сигнала от выходов мозга или от внешних систем. Переключение объекта с технической нервной системой с решения одной задачи на решение другой возможно внешним воздействием на рецепторы очувствления, например звуковыми приказами, которые формируют сигналы выходов технического мозга, переключающие питание на те группы рецепторов, которые использовались при обучении, и переключают элементы коммутации распределителя выходов мозга на те, которые обучались решению данной задачи. Переключение с решения одной задачи на решение другой может происходить и в результате внутреннего процесса, когда выходные переключающие сигналы мозга формируются рецепторами выходных сигналов технического мозга, а также при совместном воздействии сигналов от всех рецепторов.

где E_р – результирующий сигнал управления одним исполнительным двигателем; E_l – сигнал выхода одного l-го усилителя из выделенных для управления данным исполнительным двигателем; L – число выходов мозга на данный исполнительный двигатель.
Управление одним исполнительным двигателем может быть и последовательным. Для этого тоже используется множество выходов технического мозга, но сигналы от них поступают на управляющий вход исполнительного двигателя не одновременно, а попеременно. Такое управление реализуется переключением элементов коммутации, соединяющих управляющий вход исполнительного двигателя с выделенными для него выходами технического мозга. Переключение элементов коммутации может осуществляться внешними управляющими системами, а также специально выделенными и обученными для этого выходами технического мозга. Выходы технического мозга, выделенные для управления отдельным исполнительным двигателем, могут быть обучены различным образом, и для их обучения могут использоваться различные группы рецепторов. Возможным является также смешанное, параллельно-последовательное управление отдельным исполнительным двигателем. Число выходов мозга, выделенных для управления исполнительными двигателями отдельного исполнительного органа объекта (например руки), будет определять количество и сложность задач, решаемых при помощи данного исполнительного органа.