Робототехника

Робототехника — это междисциплинарный сектор науки и техники, посвященный проектированию, конструированию и использованию механических роботов. Мы рассмотрим конкретное представление о робототехнике, в том числе о различных типах роботов и о том, как они применяются в различных отраслях.

Что такое робототехника?

Робототехника — это пересечение науки, техники и технологий, которое производит машины, называемые роботами, которые воспроизводят или заменяют действия человека. Поп-культура всегда была очарована роботами — примеры включают R2-D2, Терминатор и ВАЛЛ-И. Эти преувеличенные гуманоидные представления о роботах обычно кажутся карикатурой на реальные вещи. Но являются ли они более дальновидными, чем мы думаем? Роботы приобретают интеллектуальные и механические возможности, которые не исключают возможность создания машины, подобной R2-D2, в будущем.

Что такое робот?

Робот — это программируемая машина, которая может выполнять задачу, а термин «робототехника» описывает область исследований, ориентированную на разработку роботов и автоматизацию. Каждый робот имеет разный уровень автономии. Эти уровни варьируются от ботов, управляемых человеком, которые выполняют задачи, до полностью автономных ботов, которые выполняют задачи без каких-либо внешних воздействий.

По мере развития технологий расширяется и область применения робототехники. В 2005 году 90% всех роботов собирали автомобили на автомобильных заводах. Эти роботы состоят в основном из механических рук, предназначенных для сварки или привинчивания определенных частей автомобиля.

Сегодня мы наблюдаем развитое и расширенное определение робототехники, которое включает в себя разработку, создание и использование ботов, которые выполняют такие задачи, как исследование самых суровых условий планеты, помощь правоохранительным органам, оптимизация хирургических процедур и выполнение спасательных операций.

Определение робототехники

В то время как общий мир робототехники расширяется, у робота есть некоторые постоянные характеристики:

1. Роботы состоят из какой-то механической конструкции. Механический аспект робота помогает ему выполнять задачи в среде, для которой он предназначен. Например, колеса марсохода Mars 2020 моторизованы по отдельности и сделаны из титановых труб, которые помогают ему прочно сцепляться с суровой местностью красной планеты.
2. Роботам нужны электрические компоненты, которые управляют механизмами и приводят их в действие. По сути, электрический ток — например, батарея — необходим для питания подавляющего большинства роботов.
3. Роботы содержат по крайней мере некоторый уровень компьютерного программирования. Без набора кода, говорящего ему, что делать, робот был бы просто частью простого механизма. Вставка программы в робота дает ему возможность знать, когда и как выполнять задачу.

Мы обязательно увидим перспективы индустрии робототехники раньше, чем позже, поскольку искусственный интеллект и программное обеспечение также продолжают развиваться. В ближайшем будущем, благодаря достижениям в этих технологиях, роботы будут становиться умнее, гибче и энергоэффективнее. Они также будут по-прежнему оставаться главным координационным центром умных фабрик, где они будут решать более сложные задачи и помогать обеспечивать безопасность глобальных цепочек поставок.

Индустрия робототехники наполнена замечательными перспективами прогресса, о котором научная фантастика когда-то могла только мечтать. От самых глубоких глубин наших океанов до тысяч миль в открытом космосе будут найдены роботы, выполняющие задачи, о которых люди не могли бы мечтать в одиночку.

Этимология роботов

Слово «робот» происходит от чешского слова robota, что означает «принудительный труд». Слово впервые появилось в пьесе 1920 года по отношению к персонажам пьесы, которые были серийными рабочими, неспособными к творческому мышлению.

Виды робототехники

Механические боты бывают всех форм и размеров, чтобы эффективно выполнять задачи, для которых они предназначены. Все роботы различаются по дизайну, функциональности и степени автономности. От «RoboBee» длиной 0,2 миллиметра до 200-метрового роботизированного корабля «Виндскип» роботы появляются для выполнения задач, которые люди просто не могут выполнить.

Существует пять различных типов роботов, которые выполняют задачи в зависимости от своих возможностей. Ниже приводится краткое описание этих типов и того, что они делают.

Запрограммированные роботы

Предварительно запрограммированные роботы работают в контролируемой среде, выполняя простые монотонные задачи. Примером предварительно запрограммированного робота может быть механическая рука на автомобильной сборочной линии. Рука выполняет одну функцию — приварить дверь, вставить определенную деталь в двигатель и т. д. — и ее задача — выполнять эту задачу быстрее и эффективнее, чем человек.

Человекоподобные роботы

Роботы-гуманоиды — это роботы, которые похожи на человека или имитируют его поведение. Эти роботы обычно выполняют действия, подобные человеческим (например, бег, прыжки и перенос предметов), и иногда они выглядят как мы, даже с человеческими лицами и выражениями. Двумя наиболее яркими примерами роботов-гуманоидов являются Sophia от Hanson Robotics и Atlas от Boston Dynamics.

Автономные роботы

Автономные роботы работают независимо от людей-операторов. Эти роботы обычно предназначены для выполнения задач в открытой среде, не требующих наблюдения со стороны человека. Они совершенно уникальны, потому что они используют датчики для восприятия окружающего мира, а затем используют структуры принятия решений (обычно компьютер), чтобы сделать следующий оптимальный шаг на основе своих данных и миссии. Одним из примеров автономного робота является пылесос Roomba, который использует датчики для свободного передвижения по дому.

Примеры автономных роботов

• Боты-уборщики (например, Roomba);
• Боты для стрижки газонов;
• Боты для принятия гостей;
• Автономные дроны;
• Боты-помощники врача.

Телеуправляемые роботы

Телеуправляемые роботы — это полуавтономные боты, которые используют беспроводную сеть, чтобы человек мог управлять ими с безопасного расстояния. Эти роботы обычно работают в экстремальных географических условиях, погоде и обстоятельствах. Примерами телеуправляемых роботов являются управляемые человеком подводные лодки, используемые для устранения утечек подводных труб во время разлива нефти BP, или дроны, используемые для обнаружения наземных мин на поле боя.

Дополняющие роботы

Аугментирующие роботы, также известные как роботы виртуальной реальности, либо улучшают текущие человеческие возможности, либо заменяют те, которые человек, возможно, потерял. Область робототехники для улучшения человека — это область, в которой научная фантастика может очень скоро стать реальностью, с ботами, способными переопределить определение человечества, делая людей быстрее и сильнее. Некоторыми примерами современных аугментирующих роботов являются роботизированные протезы конечностей или экзоскелеты, используемые для подъема больших весов.

Что такое бот? Что такое программная робототехника?

Программная робототехника, также называемая ботами, представляет собой компьютерные программы, которые выполняют задачи автономно. Одним из распространенных вариантов использования программных роботов является чат-бот. Чат-бот — это компьютерная программа, которая имитирует разговор как онлайн, так и по телефону и часто используется в сценариях обслуживания клиентов. Чат-боты могут быть либо простыми сервисами, которые отвечают на вопросы автоматически, либо более сложными цифровыми помощниками, которые учатся на основе пользовательской информации.

Типы ботов

• Чат-боты: проводят простые беседы, часто в условиях обслуживания клиентов.
• Спам-боты: собирают адреса электронной почты и рассылают спам.
• Боты-загрузчики: автоматическая загрузка программного обеспечения и приложений.
• Боты-сканеры поисковых систем: сканируют веб-сайты и делают их видимыми для поисковых систем.
• Боты для мониторинга: отчет о скорости и статусе сайта.

Программные роботы существуют только в интернете и происходят внутри компьютера, что означает, что они не считаются роботами. Чтобы считаться роботом, устройство должно иметь физическую форму, например корпус или шасси.

Как работают роботы?

Независимые роботы

Независимые роботы способны функционировать полностью автономно и независимо от управления человеком-оператором. Обычно они требуют более интенсивного программирования, но позволяют заменять людей при выполнении опасных, обыденных или невыполнимых по иным причинам задач, от сброса бомб и глубоководных путешествий до автоматизации производства. Независимые роботы оказались наиболее разрушительными для общества, поскольку они сокращают определенные рабочие места, но также предоставляют новые возможности для роста.

Зависимые роботы

Зависимые роботы — это неавтономные роботы, которые взаимодействуют с людьми, чтобы улучшить и дополнить их уже существующие действия. Это относительно новая форма технологии, и она постоянно расширяется для новых приложений, но одна из реализованных форм зависимых роботов — это усовершенствованные протезы, которые контролируются человеческим разумом.

Известный пример зависимого робота был создан Johns Hopkins APL в 2018 году для Джонни Матени, пациента, которому ампутировали руку выше локтя. Матени был оснащен модульным протезом конечности, чтобы исследователи могли изучать его использование в течение длительного периода времени. MPL контролируется с помощью электромиографии или сигналов, посылаемых его ампутированной конечностью, которая управляет протезом. Со временем Матени стал более эффективно управлять MPL, а сигналы, посылаемые его ампутированной конечностью, стали менее изменчивы, что привело к большей точности его движений и позволило Матени выполнять такие деликатные задачи, как игра на пианино.

Каковы основные компоненты робота?

Роботы созданы для решения и выполнения различных задач, поэтому для выполнения этих задач им требуются различные специализированные компоненты.

• Система управления: центральный процессор, который управляет задачей робота на высоком уровне.
• Датчики: компонент, который подает электрические сигналы, позволяющие роботу взаимодействовать с миром.
• Приводы: части двигателя, отвечающие за движение робота.
• Источник питания: аккумулятор, который обеспечивает питание робота.
• Конечные эффекторы: внешние особенности робота, позволяющие ему выполнять задачу.

Однако есть несколько компонентов, которые являются центральными в конструкции каждого робота, например, источник питания или центральный процессор. Вообще говоря, компоненты робототехники делятся на пять категорий.

Система контроля

Вычисления включают в себя все компоненты, составляющие центральный процессор робота, который часто называют его системой управления. Системы управления запрограммированы так, чтобы сообщать роботу, как использовать его определенные компоненты, в некотором роде подобно тому, как человеческий мозг посылает сигналы по всему телу для выполнения конкретной задачи. Эти роботизированные задачи могут включать что угодно, от минимально инвазивной хирургии до упаковки на конвейере.

Датчики

Датчики обеспечивают робота стимулами в виде электрических сигналов, которые обрабатываются контроллером и позволяют роботу взаимодействовать с внешним миром. Общие датчики, используемые в роботах, включают видеокамеры, функционирующие как глаза, фоторезисторы, реагирующие на свет, и микрофоны, работающие как уши. Эти датчики позволяют роботу фиксировать свое окружение и делать наиболее логичный вывод на основе текущего момента, а также позволяют контроллеру передавать команды дополнительным компонентам.

Приводы

Устройство можно считать роботом только в том случае, если оно имеет подвижную раму или корпус. Приводы – это компоненты, отвечающие за это движение. Эти компоненты состоят из двигателей, которые получают сигналы от системы управления и движутся в тандеме для выполнения движения, необходимого для выполнения поставленной задачи. Приводы могут быть изготовлены из различных материалов, таких как металл или эластичный материал, и обычно работают с использованием сжатого воздуха (пневматические приводы) или масла (гидравлические приводы), но бывают разных форматов, чтобы наилучшим образом выполнять свои специальные функции.

Источник питания

Как человеческому телу для работы требуется пища, так и роботам нужна энергия. Стационарные роботы, например, установленные на фабрике, могут работать от сети переменного тока через настенную розетку, но чаще всего роботы работают от внутренней батареи. В большинстве роботов используются свинцово-кислотные батареи из-за их безопасных свойств и длительного срока хранения, в то время как в других могут использоваться более компактные, но и более дорогие серебряно-кадмиевые батареи. Безопасность, вес, заменяемость и жизненный цикл — все это важные факторы, которые следует учитывать при разработке блока питания робота.

Некоторые потенциальные источники энергии для будущего развития роботов также включают пневматическую энергию от сжатых газов, солнечную энергию, гидравлическую энергию, энергию маховика для хранения органических отходов посредством анаэробного сбраживания и ядерную энергию.

Конечные Эффекторы

Конечные эффекторы — это физические, обычно внешние компоненты, которые позволяют роботам завершать выполнение своих задач. Роботы на фабриках часто имеют сменные инструменты, такие как распылители краски и сверла, хирургические роботы могут быть оснащены скальпелями, а другие виды роботов могут быть созданы с захватными когтями или даже руками для таких задач, как доставка, упаковка, распыление бомб и многое другое.

Использование роботов

Роботы имеют широкий спектр вариантов использования, что делает их идеальной технологией будущего. Скоро мы увидим роботов почти везде. Мы увидим их в больницах, отелях и даже на дорогах.

Приложения робототехники

• Сохранение: тушение лесных пожаров.
• Производство: работа на фабриках, поиск и перенос предметов на склады.
• Общение: предоставление компании пожилым людям.
• Здравоохранение: помощь при хирургических вмешательствах.
• Доставка: завершение доставки еды и выполнение последней мили.
• Домашнее хозяйство: уборка пылесосом и кошение травы.
• Спасение: выполнение поисково-спасательных операций после стихийных бедствий.
• Военные операции: обнаружение наземных мин в зонах боевых действий.

Робототехника в производстве

Обрабатывающая промышленность, вероятно, является старейшим и наиболее известным пользователем роботов. Эти роботы и ко-боты (боты, которые работают вместе с людьми) работают над эффективным тестированием и сборкой продуктов, таких как автомобили и промышленное оборудование. По оценкам, в настоящее время используется более трех миллионов промышленных роботов.

Логистические роботы

Роботы для доставки, обработки и контроля качества становятся обязательными для большинства розничных продавцов и логистических компаний. Поскольку теперь мы ожидаем, что наши посылки будут доставляться с молниеносной скоростью, логистические компании используют роботов на складах и даже в дороге, чтобы максимально эффективно использовать время. Прямо сейчас есть роботы, которые снимают ваши товары с полок, транспортируют их по складскому полу и упаковывают. Кроме того, рост числа роботов последней мили (роботы, которые будут автономно доставлять вашу посылку к вашей двери) гарантируют, что в ближайшем будущем вы столкнетесь лицом к лицу с логистическим ботом.

Роботы для дома

Это уже не научная фантастика. Роботы можно увидеть повсюду в наших домах, они помогают по хозяйству, напоминают нам о расписании и даже развлекают наших детей. Самый известный пример домашних роботов — автономный пылесос Roomba. Кроме того, роботы теперь могут делать все, от автономного скашивания травы до очистки бассейнов.

Путешествующие роботы

Есть ли что-то более похожее на научную фантастику, чем автономные транспортные средства? Эти беспилотные автомобили уже не просто воображение. Сочетание науки о данных и робототехники, беспилотные автомобили штурмом захватывают мир. Такие компании, как Tesla, Ford, Waymo, Volkswagen и BMW, работают над новой волной путешествий, которая позволит нам расслабиться и насладиться поездкой. Компании Uber и Lyft, занимающиеся совместными поездками, также разрабатывают автономные транспортные средства, которые не требуют, чтобы люди управляли им.

Робототехника в здравоохранении

Роботы добились огромных успехов в сфере здравоохранения. Эти механические чудеса находят применение практически во всех аспектах здравоохранения, от роботизированных операций до ботов, которые помогают людям восстанавливаться после травм при физиотерапии. Примерами роботов, работающих в сфере здравоохранения, являются медицинские помощники Toyota, которые помогают людям восстановить способность ходить, и TUG, робот, предназначенный для автономной прогулки по больнице и доставки всего, от лекарств до чистого белья.

История робототехники

Люди размышляли о роботах с тех пор, как древние цивилизации внедрили в свое общество мифы и верования о «мыслящих машинах» и изобрели водяные часы. Робототехника сильно изменилась со времен греков, римлян и египтян, но ее история обширна. Вот взгляд на некоторые из наиболее важных событий, которые сформировали историю робототехники.

1730-е годы

• 1737. Жак де Вокансон строит первый зарегистрированный биомеханический автомат. Механическое устройство под названием «Флейтист» воспроизводит 12 песен.

1920-е годы

• 1920. Слово «робот» впервые появляется в пьесе Карела Чапека «Робот» происходит от чешского слова «robota», что означает «принудительный труд».
• 1926. В Метрополисе появляется первый киноробот.

1930-е годы

• 1936. Алан Тьюринг публикует статью «О вычислимых числах», в которой вводится концепция теоретического компьютера, называемого машиной Тьюринга.

1940-е годы

• 1948. «Кибернетика или управление и общение у животных» опубликована профессором Массачусетского технологического института Норбертом Винером. В книге рассказывается о концепции связи и управления в электронных, механических и биологических системах.
• 1949. Уильям Грей Уолтер, нейрофизиолог и изобретатель, представляет Элмера и Элси, пару роботов с батарейным питанием, похожих на черепах. Роботы перемещают объекты, находят источник света и возвращаются к зарядной станции.

1950-е годы

• 1950. Исаак Азимов публикует «Три закона робототехники».
• 1950. Алан Тьюринг публикует статью «Вычислительные машины и интеллект», в которой предлагается то, что сейчас известно как тест Тьюринга, метод определения разумности машины.

1960-е годы

• 1961. Первый робот-манипулятор работает на предприятии General Motors. Рука поднимает и укладывает металлические детали и выполняет примерно 200 движений по программе. Рука была создана Джорджем Деволом и его партнером Джозефом Энгельбергером.
• 1969. Виктор Шейнман изобретает Stanford Arm, роботизированную руку с шестью суставами, которая может имитировать движения человеческой руки. Это один из первых роботов, управляемых компьютером.

1970-е годы

• 1972. Группа инженеров Стэнфордского научно-исследовательского института создает Shakey, первого робота, использующего искусственный интеллект. Shakey выполняет задачи, наблюдая за окружающей средой и формируя план. Робот использует датчики, дальномер и сенсорное устройство для планирования своих движений.
• 1978. Хироши Макино, исследователь в области автоматизации, проектирует четырехосный роботизированный манипулятор SCARA. Рука, известная как первый робот «подбери и помести», запрограммирована на то, чтобы поднимать объект, поворачивать и помещать его в другое место.

1980-е

• 1985. Первое задокументированное использование роботизированной хирургической процедуры с использованием роботизированной хирургической руки PUMA 560.
• 1985. Уильям Уиттакер строит двух дистанционно управляемых роботов, которых отправляют на атомную электростанцию ​​Три-Майл-Айленд. Роботы работают в подвале поврежденного здания реактора, осматривая территорию, отправляя информацию и буря образцы керна для измерения уровня радиации.
• 1989. Исследователи Массачусетского технологического института Родни Брукс и А. М. Флинн публикуют «Быстро, дешево и неуправляемо: вторжение роботов в Солнечную систему». В документе приводится довод в пользу создания множества маленьких и дешевых роботов, а не нескольких больших и дорогих.

1990-е

• 1990. Группа исследователей из Массачусетского технологического института создала iRobot, компанию, разработавшую пылесос Roomba.
• 1992. Марк Райберт, еще один исследователь Массачусетского технологического института, основывает компанию по производству робототехники Boston Dynamics.
• 1997. Соджорнер приземляется на Марсе. Марсоход отправляет на Землю 2,3 миллиарда битов данных, в том числе более 17 000 изображений, 15 химических анализов горных пород и почвы и обширные данные о погоде на Марсе.
• 1998. Furby, робот-игрушка-питомец, разработанный Tiger Electronics, выпущен и в конечном итоге продан десятками миллионов единиц. Furby запрограммированы говорить тарабарщину и со временем изучать другие языки.
• 1999. Aibo, роботизированный щенок с искусственным интеллектом, выходит на коммерческий рынок. Роботизированная собака, разработанная Sony, реагирует на звуки и имеет заранее запрограммированное поведение.

2000-е

• 2000. Синтия Бризил создает роботизированную голову, запрограммированную вызывать эмоции, а также реагировать на них. Названный Kismet, робот состоит из 21 мотора, аудиодатчиков и алгоритмов для понимания тона голоса.
• 2000. Sony представляет робота-гуманоида Sony Dream Robot, двуногого робота-гуманоида для развлечений, который она разработала и продала, но так и не продала.
• 2002. iRobot создает Roomba. Вакуумный робот — первый робот, ставший популярным в коммерческом секторе среди населения.
• 2003. Мик Маунтц и соучредители Amazon Robotics (ранее Kiva Systems) изобретают робота Kiva. Робот маневрирует по складам и перемещает товары.
• 2004. Boston Dynamics представляет BigDog, четвероногого робота, управляемого людьми. Робот известен тем, что он более проворный, чем предыдущие версии роботов, поскольку он способен одновременно стоять на земле только двумя ногами. Он имеет 50 датчиков и бортовой компьютер, который управляет походкой и поддерживает ее стабильность.
• 2004. Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов Министерства обороны учреждает DARPA Grand Challenge. Гонка на беспилотных автомобилях, цель которой – вдохновить на инновации в военных автономных транспортных средствах.
• 2005. Volkswagen Touareg по имени Стэнли выигрывает второй Гранд-вызов DARPA. Автомобиль использует искусственный интеллект, обученный навыкам вождения реальных людей, и пять лидарных лазерных датчиков, чтобы пройти 131,2-мильную трассу в пустыне Мохаве.

2010-е

• 2011. НАСА и General Motors совместно отправляют робота-помощника Робонавта 2 в космос на космическом челноке «Дискавери». Робот становится постоянным жителем Международной космической станции.
• 2013. Boston Dynamics выпускает Atlas, гуманоидного двуногого робота, который использует 28 гидравлических шарниров для имитации движений человека, включая выполнение сальто назад.
• 2013. В Неваде выдана первая лицензия на самоуправляемый автомобиль. Автомобиль представляет собой Toyota Prius, модифицированную с помощью технологии, разработанной Google.
• 2014. Канадские исследователи разрабатывают HitchBOT, бота, который путешествует автостопом по Канаде и Европе в рамках социального эксперимента.
• 2016. София, человекоподобный робот, названный первым роботом-гражданином, создана компанией Hanson Robotics. Робот способен распознавать лица и мимику.

2020-е годы

• 2020. Роботы используются для распространения тестов на COVID-19 и вакцинации.
• 2020. 384 000 промышленных роботов отправлены по всему миру для выполнения различных производственных и складских работ.
• 2021. Cruise, компания по производству автономных автомобилей, проводит свои первые две испытательные поездки роботакси в Сан-Франциско.