Робототехника: все, что нужно знать о роботах

Роботы-учёные

Первые роботы-учёные Адам и Ева были созданы в рамках проекта Robot Scientist университета Аберистуита и в 2009 году одним из них было совершено первое научное открыти.

К роботам-учёным безусловно можно отнести роботов, с помощью которых исследовались вентиляционные шахты Большой Пирамиды Хеопса. С их помощью были открыты т. н. «дверки Гантенбринка» и т. н. «ниши Хеопса». Исследования продолжаются.

Система передвижения

Для передвижения по открытой местности чаще всего используют колёсный или гусеничный движитель (примерами подобных роботов могут служить Warrior и PackBot).

Реже используются шагающие системы (примерами подобных роботов могут служить BigDog и Asimo).

Роботы BigDog

Для неровных поверхностей создаются гибридные конструкции, сочетающие колёсный или гусеничный ход со сложной кинематикой движения колёс. Такая конструкция была применена в луноходе.

Внутри помещений, на промышленных объектах роботы передвигаются вдоль монорельсов, по напольной колее и т. д. Для перемещения по наклонным или вертикальным плоскостям, по трубам используются системы, аналогичные «шагающим» конструкциям, но с вакуумными присосками.

Также известны роботы, использующие принципы движения живых организмов — змей, червей, рыб, птиц, насекомых и других типах роботов бионического происхождения.

Робот Tuna

Система распознавания образов

Системы распознавания уже способны определять простые трехмерные предметы, их ориентацию и композицию в пространстве, а также могут достраивать недостающие части, пользуясь информацией из своей базы данных (например, собирать конструктор Lego).

Двигатели

В настоящее время в качестве приводов обычно используются двигатели постоянного тока, шаговые электродвигатели и сервоприводы.

Существуют разработки двигателей, не использующих в своей конструкции моторов: например, технология сокращения материала под действием электрического тока (или поля), которая позволяет добиться более точного соответствия движения робота натуральным плавным движениям живых существ.

Математическая база

Робот Aibo

Помимо уже широко применяющихся нейросетевых технологий, существуют алгоритмы самообучения взаимодействию робота с окружающими предметами в реальном трёхмерном мире: робот-собака Aibo под управлением таких алгоритмов прошел те же стадии обучения, что и новорожденный младенец, самостоятельно научившись координировать движения своих конечностей и взаимодействовать с окружающими предметами (погремушками в детском манеже). Это дает ещё один пример математического понимания алгоритмов работы высшей нервной деятельности человека.

Навигация

Системы построения модели окружающего пространства по ультразвуку или сканированием лазерным лучом широко используются в гонках роботизированных автомобилей (которые уже успешно и самостоятельно проходят реальные городские трассы и дороги на пересечённой местности с учётом неожиданно возникающих препятствий).

Внешний вид

В Японии не прекращаются разработки роботов, имеющих внешний вид, на первый взгляд неотличимый от человеческого. Развивается техника имитации эмоций и мимики «лица» роботов.

В июне 2009 года ученые Токийского университета представили человекоподобного робота «KOBIAN», способного выражать свои эмоции — счастье, страх, удивление, грусть, гнев, отвращение — с помощью жестов и мимики.

Робот KOBIAN

Робот способен открывать и закрывать глаза, двигать губами и бровями, использовать руки и ноги.

Производители роботов

Существуют компании, специализирующиеся на производстве роботов (среди крупнейших — iRobot Corporation). Роботов также выпускают некоторые компании, работающие в сфере высоких технологий: ABB, Honda, Mitsubishi, Sony, World Demanded Electronic, Gostai, KUKA.

Причины отставания РФ в промышленной роботизации

Помощник секретаря Совета безопасности России Александр Абелин заявил, что РФ значительно уступает конкурентам в области промышленной робототехники. Значительное отставание наблюдается в области микроэлектроники, создании искусственного интеллекта, мехатроники, устройств технической сенсорики и автономного энергопитания, которые являются базовыми для робототехники. В Совбезе отметили, что государство ставит задачей развитие робототехники в стране до полноценной отрасли производства. Основными причинами отставания признано отсутствие программно-целевого подхода к развитию российской робототехники. Также это отмечает и академик Сергей Глазьев, что в РФ отсутствует стратегия экономического развития. Сегодня требуется запуск новой индустриализации, в первую очередь восстановление и дальнейшее развитие машиностроения, электронной, электротехнической и других отраслей, также обрабатывающей промышленности, определяющих основной спрос на промышленных роботов и сенсорику.

Проблемы освоения робототехники в России:

• недостаточна организующая роль государства во внедрении новой техники и качественном планировании экономического развития;
• сокращение и разрушение обрабатывающих производств. Особенно сложное положение в станкостроении – если в 1990 году в РФ, по данным Росстата, выпускалось 74,2 тысячи металлорежущих станков, в том числе 16,7 тысячи с ЧПУ, то в 2019-м выпущено только 4719 таких станков. Застой в обрабатывающей промышленности тормозит применение роботов;
• разработка и производство роботов в России осложнены не только длительными сроками проведения НИОКР и испытаний, но и недостатком собственных технологий производства: проблемы с поставкой и наличие готовых импортных решений (сервомоторы, редукторы, системы линейного перемещения, контроллеры), дефицит современных российских комплектующих. Отсутствие специализированной инновационной инфраструктуры затрудняет запуск новых проектов в области робототехники;
• модернизацию промышленности тормозит скептицизм предпринимателей относительно будущего экономики, изобилие дешевой рабочей силы, высокая стоимость кредитов и противоречивая экономическая политика. Также играет роль и недостаток финансирования, неразвитый рынок робототехники, слабый спрос и заинтересованность заказчиков на внутреннем рынке;
• руководящие должности на предприятиях, в отраслях, благодаря клановым связям занимают люди без инженерного образования и опыта работы. Не хватает подготовленных высококвалифицированных кадров и научных инженерно-технологичных школ: 66 кафедр робототехники и мехатроники работают в университетах РФ и выпускают около тысячи инженеров-робототехников в год, но даже им негде работать.

Кейсы применения

Приборостроительный завод

Приборостроительному заводу понадобилось автоматизировать загрузку и разгрузку токарных станков с ЧПУ HAAS. 

Рассмотрев все требования, такие как место под установку и необходимые характеристики, мы предложили использовать для этой задачи коллаборативного робота Hanwha HCR-12 — он занимает небольшую площадь, не требует ограждений и имеет достаточные грузоподъемность, досягаемость и точность. 

Перед покупкой была проведена демонстрация робота, симуляция загрузки станка.

Демонстрация показала, что зоны досягаемости робота достаточно для загрузки станка заказчика. Завод выбрал двух роботов Hanwha HCR-12. Операторы заказчика проходят обучение работе с оборудованием на наших курсах. При безостановочной работе решение окупает себя приблизительно за два года и один месяц.

Инструментальный завод

Инструментальный завод обратился к нам с задачей по автоматизации загрузки и выгрузки заготовок на линии станков, расположенных в два ряда, друг напротив друга.

В качестве решения мы предложили коллаборативного робота Hanwha HCR-5, установленного на самодвижущуюся тележку — мобильного робота-транспортировщика Omron. 

Такое решение позволяет обслуживать целую линию токарных станков одним роботом, перемещающимся от станка к станку. Заказчик также рассматривал возможность установки робота на рельсы, но выбор пал на решение с мобильной тележкой, как более перспективное.

При нем сохраняется возможность масштабирования, добавления в схему работы дополнительных станков. Оно не привязано к определенной конфигурации станков. Возможна реорганизация производственных линий без перестройки несущих конструкций (рельс или подвесов), перенастройка робота на новые задачи.

Расчетная окупаемость этого решения, при текущем количестве станков, составит год и восемь месяцев.

Определение

Исследование роевой робототехники заключается в изучении конструкции роботов, их физического тела и их контролирующего поведения . Он вдохновлен, но не ограничен, эмерджентным поведением, наблюдаемым у социальных насекомых , которое называется роевым интеллектом . Относительно простые индивидуальные правила могут вызвать большой набор сложных поведений роя . Ключевой компонент — это общение между членами группы, которое выстраивает систему постоянной обратной связи. Поведение роя предполагает постоянное изменение индивидуумов в сотрудничестве с другими, а также поведение всей группы.

В отличие от распределенных робототехнических систем в целом, ройная робототехника делает упор на большое количество роботов и способствует масштабируемости , например, за счет использования только локальной связи. Эта локальная связь, например, может быть достигнута с помощью систем беспроводной передачи, таких как радиочастота или инфракрасный порт .

Без «Терминаторов»

Кинематограф сформировал у обывателя представление о том, что боевые роботы должны выглядеть непременно как антропоморфные киборги. Сильнее всего на сознание массовой аудитории повлияли две части научно-фантастического блокбастера «Терминатор» режиссёра Джеймса Кэмерона.

Сюжет боевика повествует о том, что человечество создало подобных себе роботов, которые потом подняли восстание и поработили людей. Данная идея многократно эксплуатировалась и в других фильмах. Роботы с искусственным интеллектом всегда внешне напоминали человека. 

Однако реальное развитие военной робототехники не пошло по такому пути. На протяжении около 15 лет поставить робота на ноги (причём на четыре ноги, а не две) пытается американская компания Boston Dynamics. В 2005 году она представила своего первого шагающего робота BigDog, который должен выполнять функцию транспорта для сухопутных войск.

Образец напоминает парнокопытное существо, которое лишено головы. Робот способен передвигаться по сильно пересечённой местности (оврагам, холмам) и нести до 154 кг груза. Позднее американская фирма выпустила несколько других шагающих роботов — Cheetah, Wildcat, LittleDog, Rise, Petman, Atlas и Handman. 

• Робот BigDog

Разработки финансировались подразделением Минобороны США, курирующим новые технологии (DARPA). В исследованиях, проектировании и создании ряда образцов участвовали кафедры ведущих технических вузов США и специалисты NASA.

В России разработка шагающих роботов ведётся, но дальше опытных образцов дело не заходило. Текущие представления российских и зарубежных военных сводятся к тому, что гусеничная и колёсная робототехника обладают большей эффективностью.

К тому же гусеничные и колёсные платформы на данный момент проще в разработке, дешевле в производстве и надёжней в эксплуатации. Российские промышленники утверждают, что способны через 3—5 лет создать безэкипажные танки, реактивные системы залпового огня (РСЗО), машины поддержки танков, пехоты и десанта.

За последние годы отечественный ОПК продемонстрировал несколько любопытных образцов: 15-тонный разведывательно-ударный комплекс «Вихрь», созданный на базе БМП-3, 10-тонный «Уран-9» и менее габаритные комплексы «Платформа-М», «Нерехта», «Соратник».

Приоритеты России

Российская практика роботизации аналогична мировой: компании в первую очередь стремятся увеличить производительность и улучшить качество текущих процессов. По данным Центра экономических показателей при Лондонской школе экономики, в развитых странах до 10 процентов прироста ВВП за последние годы обусловлено внедрением промышленной робототехники.

В «Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», утвержденной указом президента РФ от 1 декабря 2016 года, переход к роботизированным производственным системам обозначен в числе приоритетов развития. Основой же роботизированных производственных систем являются комплексы на базе промышленных роботов, рынок которых в стране еще формируется. В первую очередь в РФ востребованы роботизированные комплексы сварки и резки металлов, на них приходится порядка 80 процентов внедрений. Использование роботов при добыче полезных ископаемых в труднодоступных местах повышает производительность горнотранспортного комплекса на 15–20 процентов. На втором месте развивающийся сегмент – перемещение и укладка грузов, востребованный в пищевой и фармацевтической промышленности. В меньшей степени востребованы фрезерные, окрасочные, измерительные и другие виды роботизированных комплексов.

Наиболее роботизированными в России являются автопром (на КамАЗе роботизация началась еще в 1980 году), химические и нефтехимические производства. Проект «Беспилотные транспортные средства» от КамАЗа предполагает создание системы автономного вождения по заданному маршруту.

Примером предприятия, использующего промороботов, стал Тихвинский вагоностроительный завод, где более восьмидесяти промышленных роботов выполняют сварку, чистку кузовов перед покраской и покраску вагонов.

Если же говорить о производителях роботов, то в активе у них имеются определенные успехи. Например, компания «АРКОДИМ» из Казани поставляет роботов-сварщиков, упаковщиков, работников на конвейере на производства в Москве, Ростове-на-Дону, Рязани, Новосибирске. НПО «Андроидная техника», основанная в 2009 году, за 10 лет разработала более полусотни робототехнических систем, в числе которых известный робот «Федор», прошедший испытания в космосе. Eidos Robotics («Эйдос-Робототехника», Казань) – резидент Инновационного центра «Сколково» и участник Камского инновационного территориально-производственного кластера Республики Татарстан. Компания основана в 2012 году и ориентирована на разработки в области компьютерного зрения, адаптивного управления роботами и коллаборативной робототехники.

В начале 2017 года стартовала программа промышленной цифровизации в России, тогда была одобрена первая дорожная карта Национальной технологической инициативы (НТИ) – «ТехНет». Она должна трансформировать традиционное производство и, по расчетам специалистов Минпромторга России, с помощью роботизации и усовершенствованной автоматизации увеличить производительность труда в экономике к 2025 году на 30, а к 2035-му – на 95 процентов.

RPA — роботы, которые не видны

В течение многих лет роботы играли важную роль в производстве. Под роботами обычно привыкли понимать устройства, выполняющие полезную работу без участия человека. Все мы хорошо представляем себе завод и роботов, которые насыпают продукт, упаковывают, наклеивают этикетки, и делают массу другой полезной работы. Но существуют и программные роботы — эти программы способны производить вычисления и автономно решать поставленные им задачи. 

По сути программные роботы имитируют действия человека: они могут видеть элементы открытых приложений; понимать, где находятся кнопки, поля для ввода, текст, таблицы и другие интерактивные элементы интерфейса. Роботы «знают», что им нужно сделать — нажать на кнопку, ввести данные, и делают это. Главная сила программных роботов — их способность взаимодействовать с пользовательским интерфейсом. Это дает возможность автоматизировать длинные сквозные процессы, в которых задействовано множество систем. При этом мы не привязываемся к наличию API у систем: могут быть роботизированы как стандартные офисные приложения, так и сложные ERP-системы, и даже самописные или legacy-приложения, классическая интеграция с которыми невозможна. В общем, любые системы и приложения, с которыми может работать человек, могут быть автоматизированы с использованием роботов. 

Робота можно представить, как умного стажера: вы даете ему задачу скопировать данные из файла Excel и занести их все в 1С, или наоборот. С этой задачей идеально справится робот, но, конечно, он умеет не только копировать и переносить данные. Робот также может проводить простую аналитику, а с помощью ИИ — обрабатывать данные по сложным алгоритмам. Классическими примерами использования роботов являются финансовые процессы: проведение сверок с контрагентами, расчет заработной платы, обработка больничных листов и др.

Чтобы не запутаться в терминологии, добавим: робот — программа, которая выполняет роботизированные процессы. Один робот может выполнять и  процессы для бухгалтерии, и процессы для кадров. Вы можете роботизировать несколько процессов, имея всего одну лицензию робота. 

Революция и курьеры

За год спрос на сотрудников доставки в России вырос восьмикратно, свидетельствуют данные совместного исследования «VK Работа» и онлайн-ретейлера «Самокат» от апреля 2021 года. С появлением роботов службам экспресс-доставки нужны будут новые сотрудники для их обслуживания: курьеров, возможно, заменят операторы доставки, контролирующие группу дронов и роботов. Нужны будут робототехники для быстрого ремонта.

Один робототехник заменит сразу от 300 до 1 000 курьеров, и в ближайшие годы количество таких специалистов будет расти. Потом рост количества курьеров будет замедляться, затем остановится и начнет падать, как только компании увидят экономически привлекательный роботизированный продукт. Все это произойдет не раньше, чем через семь-десять лет. Но многие уже задаются вопросом, что будет с тысячами доставщиков, которых могут заменить роботы.

Индустрия 4.0

Принцип Tinder в работе: каким будет рынок труда в будущем

Первая промышленная революция начала XVIII века, запустившая ткацкие производства, лишила работы множества людей. Сегодня мы переживаем очередную индустриальную революцию

Роботизация принесет очередной рост производительности труда, важной части эволюции человечества. Там, где сегодня нужны 100 курьеров, через несколько лет будут нужны, например, два координатора и один техник

Замена курьеров на роботов — не этический, а социальный вопрос. Прежние индустриальные революции были относительно медленными. Индустриализация сельского хозяйства заняла 50-60 лет. Чтобы прокормить двоих человек в 1890 году, один из них должен был работать в сельском хозяйстве. Это половина населения земли. Сегодня в сельском хозяйстве может работать один человек из 100, и все получат достаточное количество товаров.

Предыдущие промышленные революции сами решали свои проблемы. Прежние работники всю жизнь работали в своих индустриях и умирали, а новые не появлялись, потому что на них не было спроса. Грядущая революция произойдет очень быстро, за 10-15 лет. Многие люди просто потеряют свою профессию, место в экономике до того, как состарятся. А как организовать общество людей, выпадающих из экономики, — социальный вопрос государственного уровня.

Индустрия 4.0

Станки и люди: почему промышленная революция началась именно с Англии

Этот вопрос на перспективу около десяти лет. Только тогда начнется массовый переход к роботизированной логистике. За два-три года отрасль автоматизируется, а курьеров останется около 15% от сегодняшнего числа.

Сегодня с механическими роботами-погрузчиками мы экспериментируем на наших больших складах распределительных центров. Роботизированные тележки возят паллеты днем и ночью, сами их переставляют. В дарксторах мы тестируем все возможные решения (в том числе, собственные разработки) по обработке заказов, микрофулфилменты, но пока их масштабное внедрение экономически нецелесообразно.

Роботы способны справиться и с менеджментом. Важная часть автоматизации — роботизация рутинных управленческих решений. Это пополнение запасов, построение маршрута от поставщика в распределительный центра или оттуда в даркстор, решения о том, какие заказы консолидировать в один маршрут. В «Самокате» уже есть роботы, принимающие такие решения. Это не куски железа, а софтовая система, которая обрабатывает большое количество информации, учится на истории, экспериментирует с будущим. Любое решение, которое нужно принимать часто, мы превращаем в систему, работающую мгновенно и точно.

Преимущества роботизации в компании

Благодаря RPA можно по-новому взглянуть на бизнес-процессы. Эта технология позволяет автоматизировать множество корпоративных функций: от бэк-офиса до удаленной IТ-инфраструктуры. Вот основные преимущества роботизации:

1. Сотрудники могут сосредоточиться на более интеллектуальной работе, а не на повторяющихся рутинных задачах. Избавившись от необходимости выполнять повторяющиеся механические задачи, у людей появляется время максимально использовать свой потенциал, они вдохновляются решением сложных нетривиальных задач. Производительность труда в таком коллективе возрастает. 

1. Роботы не ошибаются — возможность ошибки полностью исключена. Человек может некорректно вводить текстовые и цифровые данные, робот же всегда действует по указанной инструкции и никогда не опечатывается.

1. Робот — цифровой сотрудник, который справится с работой, которую можно делать по инструкции. Он отлично выполняет такие операции, как:

• Кликать на кнопки.

• Копировать и распознавать текст.

• Вставлять скопированный текст в другие системы и формы.

• Строить отчеты.

• Выполнять действия в приложениях.

• Работать со сканами документов. Роботы могут использовать сторонние движки для распознавания текста, чтобы потом работать с текстом.

• Работать с базами данных и госсистемами.

• Отправлять сообщения в мессенджерах.

• Выполнять другие простые и рутинные операции.

1. RPA значительно сокращает время, необходимое для выполнения широкого спектра бизнес-процессов, включая обработку поступлений, обслуживание клиентов и любые другие процессы, требующие доступа к нескольким существующим IТ-системам. Производительность предприятия возрастает по мере сокращения времени рабочего цикла и транзакций.

1. Бизнес-аналитика более надежна и легкодоступна. Каждая транзакция, совершенная с помощью RPA, записывается в журнал. С помощью этих данных можно всесторонне анализировать любые завершенные процессы.  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

1. Если необходимо, робот может спрашивать у человека помощи и ждать его ответа. 

2. При этом робот: 

• Выполняет операции в 10-20 раз быстрее человека.

• Не ошибается и работает 24/7.

• Помогает бизнесу расти без увеличения персонала.

Будущее робототехники

В России робототехника совершила большой прорыв с 2018 года. Рынок растет и в ближайшие 3–4 года будет делать это безудержно. Например, в 2019 году в нас вложились IMPACT Capital. За 2 года их доля выросла в 11 раз, как и наша выручка, которая достигла 30 млн рублей в месяц. Роботы станут внедряться везде, вытеснять людей, повышать производительность и качество продуктов, снижать травматизм

Большое внимание будет уделено беспилотникам военного назначения, будет активно развиваться рынок беспилотных автомобилей. Сейчас многие крупные компании — Google, Amazon, «Яндекс» и другие — инвестируют в это

Индустрия 4.0

«Яндекс» опубликовал уникальный датасет для обучения беспилотников

Сегодня Россия еще не готова к высокому уровню роботизации, потому что большинство руководителей предприятий — выходцы из СССР. Эти люди помнят, что первые роботы были дорогие, неэффективные и опасные. Надо менять мнение об этих стереотипах.

В ближайшие 3–5 лет мы увидим огромное количество внедрений роботов на российских предприятиях, будут появляться серьезные компании. И с софтом случится аналогичная история. По уровню софта Россия способна составить конкуренцию Европе. С железом труднее, поскольку у нас слабая материально-техническая база, не развиты цепочки поставок, нет компонентного производства. Россия сможет конкурировать в производстве простейших роботов или робокомплектов, но в их составе будут применяться европейские комплектующие. Чтобы составлять конкуренцию европейским компаниям, отечественным нужно работать над эффективностью, клиентским сервисом, слышать заказчика, понимать, что ему нужно, и выдавать лучший продукт.

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.