Робототехнику считают локомотивом новой технологической революции. Многие уверены, что в ближайшие годы робототехника значительно повлияет на нашу жизнь, кто-то делает ставку на роботов уже сейчас. Компании инвестируют миллиарды в другие технологичные компании, а государственные органы обсуждают правовые рамки, в которых робототехника будет существовать и развиваться.
Дискуссия о робототехнике уже вышла из области догадок и размышлений и перешла во вполне осязаемую плоскость. Общественное внимание сосредоточено сейчас на потенциальных социальных проблемах, которые могут возникнуть с повсеместным распространением роботов. В этой статье мы представляем обзор наиболее значимых этапов развития робототехники последних десятилетий, а также предлагаем вашему вниманию наш прогноз на ближайшее будущее.
Протороботы и первые манипуляторы
Каково происхождение роботов? Чтобы понять это, нам нужно вернуться на несколько десятилетий назад. Тогда рост технологий позволил компаниям создать первые механические руки с цифровым управлением. Одним из первых роботов стал UNIMATE (многие считают его первым промышленным роботом): программируемый робот компании General Motors, созданный для полностью роботизированной производственной линии. UNIMATE существенно улучшил процесс производства. Такой успех побудил и другие компании и исследовательские центры активно выделять ресурсы для развития робототехники. Робототехника начала бурный рост.
Сенсорные роботы
До 70-х годов роботов обычно не оснащали датчиками. Но с 1968 года появилось второе поколение роботов с интегрированными сенсорами. Эти роботы уже могли реагировать на окружающую среду и решать задачи по различным сценариям.
В этот период крупные игроки на рынке промышленности верили в огромные преимущества, которые сулили роботы. В развитие робототехники продолжали вливаться инвестиции.
Мировые промышленные роботы: эра роботов
Многие считают, что эра роботов началась в 1980-м году. Тогда миллиарды долларов были вложены компаниями по всему миру в автоматизацию основных задач на производственных линиях. Продажи промышленных роботов выросли на 80% по сравнению с предыдущими годами.
В эти годы появились ключевые технологии: в 1980-м году был расширен открытый доступ в Интернет, в 1983-м Ethernet стал стандартом (IEEE 802.3), в 1991-м было анонсировано ядро Linux.
Роботы, созданные в период между 1980-м и 1999-м годами — это роботы третьего поколения — перепрограммируемые, со специализированными контроллерами. Роботы населяли многие промышленные секторы и использовались для самых разнообразных видов деятельности: покраска, пайка, перемещение, сборка и т.д.
К концу 90-х гг компании стали задумываться о роботах вне индустриальной сферы. Несколько компаний создали перспективные концепции, которые до сих пор вдохновляют робототехников. Среди них мы выделяем два:
- Первый комплект LEGO Mindstorms (1998): набор, состоящий из 717 деталей, включающий кирпичики LEGO, двигатели, шестерни, различные датчики и RCX блок со встроенным микропроцессором для создания различных роботов из одних и тех же деталей. Набор позволял изучить основные принципы робототехники. За прошедшие годы появились и другие творческие проекты, демонстрирующие потенциал сменных аппаратных средств в робототехнике. Комплект LEGO Mindstorms стал самым успешным проектом со взаимозаменяемыми частями.
- Sony AIBO (1999): первый в мире развлекательный робот. Sony, широко применяющая исследования и разработки, предложила робототехнику для всех в виде робота стоимостью 1500 долларов, который включал распределенную аппаратную и программную архитектуру. Например, в архитектуре OPEN-R использовались модульные компоненты. Их можно легко удалить и заменить, чтобы скорректировать форму и функции робота. Программное обеспечение также было распределено в модулях. OPEN-R свел к минимуму необходимость программирования отдельных движений или ответов.
Одна из главных проблем робототехники — совместимость новых компонентов с инфраструктурой. В идеале каждый компонент должен быть изготовлен так, чтобы подходить максимальному количеству инфраструктур, а каждая инфраструктура — для простой и удобной интеграции новых компонентов. При этом компоненты могут быть изготовлены разными производителями.
В соответствии с этим принципом были разработаны комплекты AIBO от Sony и LEGO Mindstorms. Можно утверждать, что их успех был тесно связан с тем, что оба продукта использовали взаимозаменяемые аппаратные и программные модули. Использование общей инфраструктуры оказалось одним из ключевых преимуществ этих технологий, однако такая концепция никогда не переводилась в промышленную среду. Вместо этого каждый производитель, стремясь доминировать на рынке, начал создавать свои собственные «языки программирования роботов».
Рассвет умных роботов
Начиная с 2000 года мы наблюдаем новое поколение робототехнических технологий. Так называемое четвертое поколение роботов состояло из более интеллектуальных роботов, которые включали продвинутые компьютеры. Они уже могли рассуждать и учиться (хотя бы частично), имели более сложные датчики, которые помогали контроллерам более эффективно приспосабливаться к различным обстоятельствам.
Среди технологий, появившихся в этот период, мы выделяем Player Project (2000, ранее Player / Stage Project), симулятор Gazebo (2004) и Robot Operating System (2007). В течение этих лет появились соответствующие аппаратные платформы. Одноплатные компьютеры (SBC), такие как Raspberry Pi, позволили миллионам пользователей по всему миру легко создавать собственных роботов.
Скачок биоинженерного искусственного интеллекта
Возрастающая популярность искусственного интеллекта, и особенно нейронных сетей, стала актуальной и в этот период. В то время как в 80-х и 90-х годах была проделана большая работа над нейронными сетями, компьютерам не хватало вычислительной мощности. Наборы данных не были достаточно большими, чтобы быть полезными на практике. В результате нейронные сети практически исчезли в первой декаде XXI века. Однако, начиная с 2009 года (распознавание речи), нейронные сети завоевали популярность и начали получать хорошие результаты в таких областях, как компьютерное зрение (2012 год) или машинный перевод (2014 год). За последние несколько лет мы увидели, как эти методы были переведены в робототехнику для выполнения таких задач, как “роботизированное схватывание”.
Что случится с индустриальными роботами?
Соответствующие ключевые технологии также появились в промышленной робототехнике (например, EtherCAT). Однако, за исключением появления первых так называемых совместимых роботов, прогресс в области промышленной робототехники значительно замедлился по сравнению с предыдущими десятилетиями. Несколько исследовательских групп отметили этот факт, однако их мнения были противоречивы. Ниже мы суммируем некоторые из наиболее значимых моментов, которые встречались при рассмотрении предыдущей работы:
- Промышленная робототехника: это индустрия, выгодная только поставщикам? Некоторые считают, что производители промышленных роботов объединяются со своими крупнейшими заказчиками устанавливают стандарты, которые могут не подходить другим производствам. Промышленным роботам необходимо адаптироваться и говорить на заводских языках (PROFINET, ETHERCAT, Modbus TCP, Ethernet / IP, CANOPEN, DEVICENET и т. Д.), которые для каждой фабрики могут быть разными.
- Отсутствие стандартизированных интерфейсов в промышленности. На сегодняшний день каждый промышленный робот каким-то образом ограничивает производство. Как правило, при работе с промышленным роботом можно столкнуться со следующими фактами: а) каждая компания, выпускающая роботов, имеет свой собственный язык программирования, б) программы не могут быть перенесены с робота одной компании на другую, в) разные протоколы связи, г) логические, механические и электрические интерфейсы не стандартизированы в отрасли. В результате большинство роботизированных периферийных устройств страдают от необходимости поддерживать множество разных протоколов, что требует большого времени разработки и снижает функциональность продукта.
- Соперничать и вытеснять VS открывать новые рынки? “Закрытость” большинства промышленных робототехнических компаний обычно оправдывается существующей конкуренцией. Это приводит к недопониманию между разными производителями. Было бы выгоднее для всех, если производители согласовали общую инфраструктуру, электрические и логические интерфейсы, что позволит промышленным робототехническим компаниям создавать роботы и их компоненты, которые могли бы взаимодействовать, обмениваться и в конечном итоге создавать новые рынки. Это также приведет к созданию конкурентной среды, в которой изготовителям необходимо будет продемонстрировать возможности, а не закрытую среду, в которой участвуют только некоторые игроки.
Операционная система аппаратного робота (H-ROS)
Роботы должны адаптироваться к любой среде. Этот факт был ранее обозначен для промышленной робототехники, где роботы должны были свободно владеть заводскими языками.Это относится также и к сервисным роботам (например, домашним роботам, которым необходимо будет адаптироваться к посудомоечным, стиральным машинам, серверам мультимедиа и т. д.), медицинским роботам и многим другим областям робототехники. Такие рассуждения приводят к созданию операционной системы аппаратного робота (H-ROS), аппаратно-программной инфраструктуры, не зависящей от поставщика, для создания взаимозаменяемых компонентов робота. H-ROS создается поверх ROS, которая используется для определения набора стандартизованных логических интерфейсов, которые должны соответствовать каждому физическому компоненту робота, если он совместим с H-ROS.
H-ROS облегчает создание роботов, выбирая лучший компонент для каждого прецедента из общего рынка роботов. Он соответствует различным средам (промышленным, профессиональным, медицинским, …), где такие переменные, как временные ограничения, являются критическими. Построение или расширение роботов упрощается до того момента, когда компоненты H-ROS совместимы. Пользователю просто нужно запрограммировать когнитивную часть (то есть мозг) робота и разработать свои собственные варианты использования. H-ROS избавляет от работы над интеграцией различных технологий и аппаратных интерфейсов.
Будущее впереди
Последние результаты исследований ИИ и крупные инвестиции в область роботизированных разработок возлагают большие надежды на ближайшее будущее робототехники.
Как отметила Мелони Вайз в недавнем интервью: “На данный момент существует не так много действий, которые может сделать робот за 1000-5000 долларов (именно столько большинство людей будет платить за индивидуального робота). Аппаратные средства по прежнему ограничены. Но наша команда твердо верит, что общая инфраструктура, такая как H-ROS, будет способствовать созданию среды, в которой аппаратные средства и программное обеспечение робота могут эволюционировать.”
Источник
Автор перевода — Дарья Васильева