В 90-е темпы развития робототехники были несопоставимы с ожиданиями, раздутыми до фантастических размеров. Примерно то же самое всегда происходит с любыми технологиями. Популярность и спрос на беспилотные летательные аппараты в последние годы так же вряд ли будет стимулировать развитие дронов. Авторы статьи сделали попытку обобщения традиционных методов создания и программирования роботов и новых тенденций, которые могут упростить и подтолкнуть развитие всей отрасли.

Роботостроение

Создание и программирование роботов все еще остаются довольно сложными задачами. И если процессы программирования стали проще с принятием ROS (Robot Operating System) — стандартизированной рамочной системы для роботов, то создание робота — все еще серьезная проблема. Отсутствие совместимых систем, модулей многократного использования и опыта, необходимого для разработки основных схем поведения роботов — лишь некоторые из препятствий.

Интеграционный подход

Роботы, как правило, создают по такому алгоритму:

Покупка запчастей. Решают, какие компоненты понадобятся, получают их и приступают к сборке.
Интеграция. Объединение компонентов в единую сообщающуюся систему ради какой-то цели. Именно этот этап отнимает бóльшую часть времени.
Строительство робота. Сборка и механическое соединение всех частей робота. Это может происходить параллельно следующему шагу.
Программирование робота. На этом этапе необходимо заставить робота делать то, что нужно.
Тестирование и адаптация. Роботы, как правило, программируются на определенные сценарии. Однако тестирование в реальных условиях имеет решающее значение. Как правило, тесты показывают необходимость доработки и адаптирования робота, что возвращает робототехников ко второму этапу, интеграции.
Применение.

Понятно, что создание робота — это технически сложная задача. Инженеры часто сталкиваются с неразрешимыми проблемами на этапе интегрирования деталей. Кроме того, каждая модификация и адаптация оборудования при программировании или строительстве робота требует дальнейшей интеграции.

Описанный интеграционный метод построения роботов дает результаты, которые устаревают в течение короткого периода времени. А модули роботов в большинстве случаев не используются повторно, так как повторное использование слишком дорого и трудоемко.

Модульный подход

Существующий интеграционный метод в робототехнике создает большое количество аппаратных устройств. Несмотря на распространение единой операционной системы ROS, эти устройства обычно состоят из несовместимых электронных компонентов с различными программными интерфейсами.

А теперь представьте себе создание роботов посредством объединения совместимых модулей. Представьте, что привод, датчики, модули связи, устройства пользовательского интерфейса, все это легко собирается вместе и работает минуя сложный этап интеграции. Процесс создания роботов с такими модулями будет проще, а усилия и время, потраченные на разработку, будут значительно сокращены. Модульные компоненты могут быть повторно использованы.

Именно над этим работает автор статьи, евангелист ROS Виктор Майораль Вильчес и компания H-ROS.

Прошлое и будущее робототехники

H-ROS — это инфраструктура для создания заменяемых модулей роботов. H-ROS работает на основе ROS, которая используется для определения набора стандартизованных логических интерфейсов, соответствующих каждому физическому компоненту робота.

Программирование роботов

Конвейерный подход

Традиционно процесс программирования робота для заданной задачи описывается следующим образом:

Наблюдение. Датчики робота производят измерения. Все эти измерения называют «наблюдениями» и становятся вводными, которые робот получает для выполнения задачи.
Оценка состояния. помощью вводных этапа 1, описывают движение робота, учитывая набор его характеристик, таких как положение, ориентация или скорость. Очевидно, что ошибки в наблюдениях приведут к ошибкам в оценке состояния.
Моделирование и прогнозирование. Этап определения динамики робота с помощью: a) модели робота и b) оценки состояния. Подобно предыдущему шагу, ошибки в оценке состояния будут влиять на результаты, полученные на этом этапе.
Планирование. На этом этапе определяют действия, необходимые для выполнения задачи. Этот этап также зависит от предыдущих.
Управление. Последний этап в конвейере состоит в преобразовании команд для управления приводом робота.

Биологический подход

Искусственный интеллект и, в частности, искусственные нейронные сети (ИНС), становятся все более актуальными для робототехники. Начиная с 2009 года, ИНС стали популярны и показали хорошие результаты в области компьютерного зрения (2012) и машинного перевода (2014). В настоящее время эти технологии имитируют биологическую нейронную/синаптическую активность мозга живого организма.

В течение последних лет мы видели, как этот подход был использован для таких задач, как автоматическое схватывание (2016). Он позволяют обучать роботизированное устройство практически так же, как собак или кошек.

Биологический подход противоречит традиционному конвейерному, однако уже демонстрирует обнадеживающие результаты. Автор статьи уверен, что новый подход будет стимулировать инновации и позитивно воздействовать на развитие робототехники.

Матрица роботостроения

Все эти подходы создают дилемму для робототехников. На чем они должны сосредоточиться? Какой подход следует использовать для каждого конкретного случая? Майораль Вильчес анализирует сочетания старых и новых подходов.

Интеграционный + конвейерный подход

Эта комбинация представляет собой «традиционный подход» во всех смыслах. Это процесс, решения которого в настоящее время используют в промышленности. Такие роботы запрограммированы для выполнения четко определенной задачи. Подход позволяет достичь высокого уровня точности выполнения задач. Однако любая неопределенность, как правило, приводит к неудаче. Расходы, связанные с разработкой таких систем, обычно находятся в диапазоне от 10.000 до 100.000 евро.

Интеграционный + биологический подход

Неограниченное поведение робота сочетается с существенными аппаратными ограничениями. Традиционные роботы в целом можно улучшить с помощью биологического подхода. Роботы, в которых использована эта комбинация, могут самостоятельно учиться и адаптироваться к изменениям в окружающей среде, однако любые модификации, перепрофилирование или расширение в аппаратном обеспечении робота потребует больших усилий по интеграции новых комплектующих. Расходы на разработку этих роботов аналогичны расходам на “традиционных” роботов.

Модульный + конвейерный подход

Гибкое оборудование со структурированным поведением. Построение, ремонт и/или повторное использование этих роботов будет гораздо более доступным по сравнению с традиционными роботами, автор оценивает затраты на их изготовление на порядок меньше (1.000-10.000 евро). Кроме того, модульность роботов откроет новые возможности.

Модульный + биологический подход

Эта инновационная комбинация имеет потенциал для подрыва всего рынка робототехники, она изменит как процессы создания, так и программирование и обучение роботов. Это также самый незрелый подход. Затраты на таких роботов также могут быть уменьшены. По оценкам автора, создание и обучение этих роботов должно варьироваться в пределах от 1.000 до 10.000 евро для простых задач и до 50.000 евро для более сложных.

Источник

Автор перевода — Дарья Васильева