Роботы: что это такое и какими они бывают

Терминология

• Говоря простым языком, робот (от чеш. robota, подневольный труд) — это кибернетическая система, которая может выполнять операции, относящиеся к физической и умственной деятельности человека. Робот включает в себя программируемую систему управления, которая контролирует механическую конструкцию, а также связывает робота с внешней средой (оборудованием и пользователем). 
• Более точное определение робота и связанных с ним понятий дается в стандартах ГОСТ Р ИСО 8373-2014 «Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения» и в соответствующем международном стандарте ISO 8373:2012 «Robots and robotic devices — Vocabulary» : «Робот — приводной механизм, который можно запрограммировать по двум и более осям, имеющий некоторую степень автономности, движущийся внутри своей рабочей среды и выполняющий задачи по предназначению», где «автономность — способность выполнять задачи по предназначению, основанная на текущем состоянии изделия и особенностях считывания данных без вмешательства человека». 
• Наконец, в более широком понимании современный робот — механизм, выполняющий запрограммированные действия, который воспринимает окружающий мир с помощью сенсоров (датчиков, микрофонов, камер), строит модели поведения, чтобы выполнять определенную программу, и способен воздействовать на физический мир тем или иным способом. 

Краткая история роботизации

За последние 100 лет роботы не просто эволюционировали, они стали частью нашей повседневной жизни. Слово «робот» вошло в обиход после того, как в 1920 году свет увидела пьеса Карла Чапека об искусственных людях. И это очень символично, так как «ревущие» двадцатые — период экономического подъема и новых открытий в науке и технике. 

В течение последующих десятилетий произошли выдающиеся открытия в самых различных дисциплинах — кибернетика, мехатроника, информатика, электроника, механика, а именно на них и опирается робототехника. Примерно к 30-м годам XX века появились первые андроиды, которые могли двигаться и произносить простейшие фразы. 

Первые программируемые механизмы с манипуляторами были сконструированы в 1930-х годах в США. Толчком послужили работы Генри Форда по созданию автоматизированной производственной линии. На рубеже 1930-40-х годов в СССР появились автоматические линии для обработки деталей подшипников, а в конце 1940-х годов было впервые в мире создано комплексное производство поршней для тракторных двигателей с автоматизацией всех процессов — от загрузки сырья до упаковки готовой продукции. 

В 1950 году Тьюринг в работе «Computing Machinery and Intelligence» описал способ, позволяющий определить, является ли машина мыслящей (тест Тьюринга). В 1950-х годах появились первые механические манипуляторы, которые копировали движения рук оператора и могли работать с радиоактивными материалами. В 1956 году американские инженеры Джозеф Девол и Джозеф Энгельберг организовали первую в мире компанию «Юнимейшн» (англ. Unimation, сокращенный термин от Universal Automation, универсальная автоматика), и в начале 1960-х первый в мире промышленный робот начал работать на производственной линии завода General Motors. 

Робот Unimate, которого отправили на фабрику General Motors

Источник: Robo-hunter

В 1960-х годах в университетах появились лаборатории искусственного интеллекта, а 1970-х были создали микропроцессорные системы управления, которые заменили специализированные блоки управления роботов на программируемые контроллеры. Это сократило стоимость роботов примерно в три раза, так что они стали всё чаще применяться в разных отраслях промышленности. В 1982 году в IBM разработали официальный язык для программирования робототехнических систем, а спустя два года компания Adept представила первый робот Scara с электроприводом. В 1986 году роботы были впервые применены в Чернобыле для очистки радиоактивных отходов. 

Двадцать первый век принёс невиданные успехи в развитии робототехники. В 2000 годы, по данным ООН, в мире использовалось уже 742 500 промышленных роботов. Невозможно перечислить все новые модели и открытия в сфере робототехники за последние 20 лет. Вот лишь некоторые из них. 

В начале 2000-х многие компании представили новых гуманоидных роботов — например, Asimo от Honda и SDR-3X от Sony. Канадский космический манипулятор Canadarm2 использовался для завершения сборки МКС, а в мюнхенском Институте биохимии имени Макса Планка был создан первый в мире нейрочип. Появились первые серийно выпускаемые бытовые роботы-пылесосы (Electrolux) и первая киберсобака (Sanyo Electric). Компания Bandai представила прототип робота с возможностью распознавания человеческих лиц и голосов, ученые из Стэнфордского университета — робота STAIR (Stanford Artificial Intelligence Robot), наделенного интеллектом и способного принимать нестандартные решения, руководствуясь заложенными в него знаниями об окружающем мире. Военный робот смог распознавать и преодолевать препятствия — в NASA взяли на вооружение экзоскелет X1 Robotic Exoskeleton. Роботы стали активно использоваться в медицине при проведении хирургических операций. 

Источник: Popmech

Три поколения роботов

1. Роботы первого поколения, освоенные промышленностью в 1960-х годах, работали по жесткой программе, не могли адаптироваться к изменяющимся условиям производства и внешней среды, а на входе требовали упорядоченного размещения ориентированных деталей в накопителе. Некоторые из первых промышленных роботов «Версатран» и «Юнимейт» функционируют до сих пор, преодолев порог в 100 тысяч часов рабочего времени. 
2. Роботы второго поколения работают по гибкой программе и используются для выполнения сложных производственных задач, например, для сборки прецизионных изделий. Прецизионный — обладающий высокой точностью или созданный с соблюдением высокой точности параметров. У таких роботов более развитый сенсорный аппарат, который обеспечивает работу по принципу «ситуация — действие» и способен выбрать оптимальный алгоритм функционирования в зависимости от хода производственного процесса.
3. Роботы третьего поколения — это уже интегральные или интеллектуальные системы, оснащенные новейшими средствами адаптации. Они имеют способность к самообучению и распознаванию образов, которая является важным элементом искусственного интеллекта. С развитием ИИ роботы получают возможность моделировать внешнюю среду, анализировать производственную обстановку, принимать решения и планировать собственные действия.

Классификации роботов

В зависимости от общей прикладной области роботов можно разделить на промышленных и сервисных. На сегодняшний день в мире больше промышленных роботов, но ниша сервисных растет с огромной скоростью.

Что такое промышленный робот

Промышленный робот состоит из манипулятора, в том числе приводов, и контроллера, включая пульт обучения и аппаратный или программный коммуникационный интерфейс. Манипулятор робота можно программировать по трем или более степеням подвижности в зависимости от задач автоматизации. Проще говоря, промышленная робототехника предназначена для выполнения основных и вспомогательных операций производственного цикла без участия человека. По данным аналитического отчета Сбербанка, на сегодня на производстве задействовано около двух миллионов роботов. 

Общая классификация промышленных роботов содержит от 7 до 12 классификационных признаков (в зависимости от информационного источника). Вот несколько примеров частных классификаций по наиболее важным признакам. 

По характеру выполняемых операций промышленные роботы делятся на:

• технологические (выполняют основные операции — обработку, сборку, сварку, окраску);
• вспомогательные (используют для обслуживания основного технологического оборудования: установка — снятие заготовок, транспортно-складские и другие операции);
• универсальные (сочетают признаки первых двух групп).

По характеру обработки программы промышленные роботы могут быть:

• жесткопрограммируемые (программа действий содержит информацию, не меняющуюся в процессе работы); 
• адаптивные (содержат информацию об объектах и условиях внешней среды. Сенсорное оснащение позволяет таким роботам корректировать управляющую программу);
• гибкопрограммируемые (способны формировать программу своих действий на основе поставленной цели и информации об объектах и условиях внешней среды).

Области применения промышленных роботов

Промышленные роботы дают возможность автоматизировать все виды операций. Сфера применения довольно широка: заготовительное производство, механообработка, сварочное производство, сборочное производство, термообработка, гальванические и лакокрасочные покрытия, транспортно-накопительные системы. В обрабатывающей промышленности отрасли лидеры по покупкам роботов не меняются уже более пяти лет: это автомобильная промышленность и электроника.

Промышленные роботы Kuka

Источник: Robohunter

Роботы применяются практически во всех отраслях промышленности, их целесообразность применения диктуется прежде всего интересами человека, удобством и безопасностью работы.

Самая важная роль отводится роботам, заменяющим человека при выполнении различных задач в экстремальных условиях: на больших глубинах, в вакууме, в космосе, на участках с радиационно- взрыво- и пожароопасными условиями, а также на химических и фармацевтических производствах. 

«Химические склады являются зонами повышенной опасности, где стоимость человеческой ошибки крайне велика. В таких местах мы применяем роботов, оснащенных инфракрасными сканерами, способных по штрихкоду самостоятельно находить реактивы на складе, перемещать и упаковывать реактивы для отправки, чтобы делать процесс максимально безопасным и защищенным. Роботы, используемые для работы с биологическими клетками, отбирают образцы клеток иглами обеспечивают точность и скорость, не достижимую для человека. Например, робот способен направлять иглу на объект с точностью 0,1 мм и делать это мгновенно. Создание химических библиотек требует хранения тысяч образцов и скорого их поиска в случае необходимости. Робот, имея цифровую картотеку расположения образцов в хранилище и механический манипулятор, может мгновенно находить и передавать исследователям искомый образец. Роботизированные манипуляторы повсеместно используются на линиях фасовки лекарств, производства стерильных фильтров и обеспечивают качество продукции за счет отсутствия контаминантов биологического происхождения и высокой точности манипуляций».  

Александр Шаплыгинруководитель по коммуникациям Merck в России и странах СНГ

Что такое кобот

Коллаборативный робот (кобот) — это вариант промышленного робота, который также состоит из манипулятора и перепрограммируемого устройства управления. Кардинальное отличие кобота в том, что он может работать совместно с человеком для создания или производства различных продуктов.

Первого кобота изобрели в 1999 году Эд Колгейт и Майкл Пэшкин, инженеры Северо-Западного университета. Большинство коллаборативных роботов имеют небольшие размеры (вес — 15-20 кг, в некоторых случаях — до 50 кг, высота — около 1,5 м). 

Согласно международному стандарту ISO 10218, есть четыре типа коллаборативных роботов:  

• с защитным механизмом остановки; когда при приближении человека кобот считывает движение с помощью датчиков и останавливается, пока человек не уйдет из рабочего пространства;
• с ручным управлением; робот дополнен специальными устройствами, распознающими давление руки. Когда робот не обучается, а выполняет свои прямые функции, человек должен находиться за границами его рабочей зоны;
• с системой «компьютерного зрения», которые отслеживают перемещения работников-людей и замедляются до безопасной скорости или вообще останавливаются при приближении человека;
• с ограничением силы; если робот чувствует сильное сопротивление на пути, он останавливается.

Основная сфера применения коботов — автомобилестроение и производство электроники, а самыми популярными операциями являются погрузка/перемещение и сборка. 

Кобот YuMi от ABB

Источник: The Robot Report

Что такое сервисный робот

Сервисная робототехника делится на два типа — для личного применения (роботы-пылесосы, развлекательные роботы, роботы-помощники) и для профессионального, то есть для оказания различных услуг (полевая, подводная робототехника, медицина, мониторинг и эксплуатация, строительство и снос, логистические системы, мобильные платформы, военные роботы, подводные системы, силовые экзоскелеты и так далее).  

Кейсы применения сервисных роботов очень разнообразны. Например, американская компания SIMBE ROBOTICS разработала мобильного робота для аудита товарных полок в розничных магазинах. Робот перемещается между стеллажами и сканирует их содержимое, определяя, в том числе, не заканчивается ли товар и тот ли товар вообще выложен. Он безопасен для сотрудников и посетителей магазина, поэтому может выполнять аудит в любое время, а данные обо всех товарах сохраняет в облако. А вот другой робот от компании Fellow Robots — идеальный торговый консультант, который сопровождает покупателей в магазине и может порекомендовать им тот или иной товар на 25 языках. 

 SIMBE ROBOTICS

Источник: Robotics Business Review

Компания Locus Robotics в начале 2020 года отпраздновала юбилей — ее автономные мобильные роботы перенесли 100 миллионов посылок. Locus Robotics сотрудничает с крупнейшими транспортными компаниями, среди которых DHL, GEODIS, Port Logistics. Bossa Nova Robotics планирует обеспечить роботами для инвентаризации товаров в 1000 магазинов Walmart в США.  В США также разрабатываются роботы, которые будут помогать на заправке. А в Японии давно в ходу роботы — бармены и повара. 

Locus Robotics

Источник: Robotics Business Review

Современный робот может ходить вниз «головой» по потолку или работать на глубине, поэтому в его сходстве с человеком нет особой необходимости. Однако работа над созданием андроидов и гиноидов (роботов в женском обличии) захватила умы многих изобретателей в последние десятилетия. Практически все развитые страны представили своих андроидов, обладающих самыми разными функциями и интерфейсом, максимально напоминающим человеческое тело. 

В 2010 году в Китае для человекоподобных роботов провели Олимпийские игры, где андроиды соревновались в разных спортивных дисциплинах. К участию допускались автономные роботы, полуавтономные системы и устройства с дистанционным управлением, и каждый класс соревновался только с себе подобными. Гиноид София стала первым роботом, который получил официальное гражданство Саудовской Аравии. В России есть собственные разработки: например, один из последних российских роботов андроидов — Бетси, антропоморфный робот с возможностью нейроуправления.

Бетси

Источник: МИДиС

Как будут развиваться роботы

Сложно представить, что только не будут уметь роботы в ближайшие десятилетия. Уже созданы роботизированные мышцы, которые в 1000 раз сильнее человеческих и способны поднимать грузы в 50 раз больше собственного веса. Дальнейшее развитие роботов будет связано с открытием новых материалов и свойств, а также достижений компьютерной техники. 

Программное обеспечение манипуляторов со временем увеличит возможности техники и сенсоров. Например, робот-манипулятор, захватывающая груз, сможет сообщить оператору точный вес или размер, а новые компьютерные технологии смогут обеспечить более сложные траектории. Будет повышена эффективность использования нейросетей за счет усложнения их архитектуры и снижения энергопотребления. Продолжится массовое внедрение облачных сервисов для машинного обучения, что расширит двигательные действия роботов.