Эволюция роботов

Первые промышленные роботы концептуально создавались как машины, которые работают не вместе с человеком, а вместо человека (удаленно от человека), выполняя скучную тяжелую, опасную и грязную работу. В английском языке появилась аббревиатура так называемых 3D (Dull, Dangerous, Dirty).

Роботы на этом этапе начинают использовать сервоприводы - устройства на базе электромотора, управляемого с обратной связью, которая позволяет следить за угловым положением вала электромотора^{9"Серво-" (от "serve") - обозначает "обслуживание/ контроль", то есть отслеживание угловых положений вала электродвигателя, "привод" означает приведение в движение при помощи мотора, отсюда происходит слово "серворивод".}. Сервопривод - это обобщающий термин, который включает в себя серводвигатель и сервоконтроллер^{10Сервоконтроллер - устройство, которое управляет работой серводвигателя, принимает команды управления, обрабатывает их и генерирует управляющие сигналы, которые регулируют положение и скорость серводвигателя. Серводвигатель - это электрический двигатель с обратной связью, который интегрирован с механизмом управления и обеспечивает прецизионное управление движением}. Наличие сервопривода обеспечивает точное и своевременное управление движением. Сервоприводы позволяют устанавливать рабочий орган оборудования в заданных положениях, фиксировать его, перемещать в соответствии с заданной программой или, например, удерживать исполнительный механизм в одном положении под нагрузкой. Использование сервоприводов позволило роботам выполнять как движение от точки к точке, так и движение вдоль непрерывной траектории.

В 1969 г. был создан робот для контактной точечной сварки. Первые роботы для точечной сварки кузовов автомобилей были произведены компанией Unimation и установлены на сборочных заводах General Motors в США. В Европе первые сварочные роботы появились на заводах FIAT в Италии в 1972 г.

В конце 1960-х годов в промышленной робототехнике наблюдается переход от гидроприводов к электроприводам. В 1969 в Стэнфордской лаборатории искусственного интеллекта был создан робот Stanford Arm. Это был первый полностью электрический манипулятор, который управлялся микропроцессором (PDP-6) и имел шесть степеней свободы.

В 1973 был создан робот KUKA ^{11Немецкий производитель преимущественно промышленных роботов, который на момент написания курса принадлежал китайскому холдингу Midea} famulus - первый в мире промышленный робот с шестью степенями свободы, приводимый в движение электродвигателями.

В 1974 на рынке был представлен робот T3 ("The Tomorrow Tool"), который стал первым коммерчески доступным роботом, управляемым микрокомпьютером.

В 1970-х годах на рынке появились программируемые логические контроллеры (ПЛК), которые были разработаны и адаптированы для управления производственными процессами, включая роботизированные устройства. В отличие от компьютеров, ориентированных на управление оператором, ПЛК были ориентированы на работу с машинами, быструю обработку входных сигналов с датчиков и вывод сигналов на исполнительные механизмы.

Другим направлением развития контроллеров явилась технология микроконтроллеров ^{12Микроконтроллер - это небольшой компьютер, реализованный на одном кристалле и имеющий не только процессор, но и память с таймерами, ЦАП, АЦП и интерфейсами ввода-вывода} . В середине 1970-х годов микроконтроллеры начали использоваться в робототехнике и в настоящее время при- меняются для создания компактных роботов, беспилотников, систем IoT, а также мелкосерийного оборудования, где идеальным выбором являются встроенные системы управления ^{13Если ПЛК - это устройства, специально разработанные для обеспечения надежного решения сложных задач управления, взаимодействия с различными промышленными устройствами, то микроконтроллеры - это встраиваемые системы общего назначения, используемые в широком спектре приложений, включая бытовую электронику, устройства IoT, автомобильные системы и т. д.}.

Начиная с 1968 года роботы начинают использовать сенсоры, позволяющие получать больше информации об окружающей среде и реагировать на ее изменения.

Считается, что Shakey (он показан на рис. 2.7), разработанный Стэнфордским исследовательским институтом в период с 1966 по 1972 гг., был первым очувствленным сенсорным мобильным роботом, содержащим ряд внешних сенсоров, включая тактильные датчики и камеру технического зрения.

Параллельно с наземными роботами развивались беспилотные летательные аппараты. В качестве иллюстрации развития БПЛА рис. 2.7 приводит беспилотник с реактивным двигателем Lightning Bug. Базовая конструкция беспилотника, представленная в начале 1960-х, развивалась для различных миссий, с множеством новых систем, датчиков и полезных нагрузок, используемых, в частности, для оперативного развертывания этих беспилотников в Юго-Восточной Азии. Миссии БПЛА включали высотную и низковысотную фотографическую и электронную воздушную разведку, наблюдение, маскировку, радиоэлектронную борьбу и т. п.

Важным этапом в развитии космической робототехники стал советский проект "Луноход-1", первый в мире планетоход, успешно отработавший на поверхности другого небесного тела - Луны с 17 ноя- бря 1970 по 14 сентября 1971 года. Первые промышленные роботы в СССР появились в начале 1970-х годов, в том числе роботы серии "Универсал", ПР-5, "Бриг-10", ИЭС-690, МП-9С, ТУР-10.

Третий этап (1978-1999). В 1980-х годах продолжилась разработка микроконтроллеров для роботов. В 1983 г. компания Intel выпустила микроконтроллер 8051, который стал одним из самых популярных в робототехнике.

А в 1984 г. была основана компания Atmel, которая занялась массовым производством микроконтроллеров, в том числе широко используемых в робототехнике.

Во второй половине 1980-х годов в робототехнике начали применяться усовершенствованные датчики (такие как лидары ^{14Лидар (LiDAR - Light Detection and Ranging "обнаружение и определение дальности с помощью света") более подробно будет рассмотрен в данной лекции} , камеры и силомоментные датчики), что позволило роботам выполнять все более сложные задачи, а также взаимодействовать с людьми и другими роботами.

Совершенствование механических компонентов роботов, таких как шарниры, моторы и приводы, сопровождалось увеличением точности и скорости движений и грузоподъемности роботов. Следует отметить ряд популярных моделей этого периода. В 1978 г. компания Unimation представила робота PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly), который стал одним из первых коммерчески успешных промышленных роботов. Это был легкий и гибкий робот, который мог выполнять различные задачи в области сборки и манипулирования объектами.

В 1980 г. компания Honda представила робота-помощника Honda E0, который был первым коммерчески доступным сервисным домашним роботом.

В 1981 г. профессором Токийского университета Сусуму Тачи был подан патент на систему управления роботом с возможностью дистанционного манипулирования объектами многопальцевым захватом с визуальной и хаптической^{15Хаптика - это технология, позволяющая взаимодействовать с компьютерными системами через осязание. Устройства с хаптикой используют тактильную обратную связь для имитации осязаемых объектов и сил, что делает взаимодействие с ними более интуитивным и реалистичным} обратной связью. В 1984 г. началась разработка робототехнической системы телеприсутствия TELESAR. Всего было создано шесть поколений робота, последняя модель TELESAR VI была представлена в 2020 г. [ "Источники использованной литературы" ]. По результатам работы лаборатории профессора Сусуму Тачи была создана компания Telexistense Inc., которая получила рекордное количество инвестиций - 170 млн долларов в 2023 году [ "Источники использованной литературы" ].

В 1986 г. в Советском Союзе (в ЦНИИ РТК) были созданы первые, во всяком случае в СССР, дистанционно управляемые роботы-разведчики (колесные РР-1, РР-2, РР-3 и гусеничные РР-Г1, РР-Г2), снабженные подвижными передающими телевизионными камерами, гамма-локаторами и дозиметрической аппаратурой, которые использовались для ликвидации последствий на Чернобыльской станции. Роботы успешно работали в условиях самых интенсивных ионизирующих излучений с мощностью дозы до 20 тысяч рентген в час.

В 1988 году произошел запуск советского беспилотного корабля "Буран", который в автоматическом режиме совершил два витка вокруг Земли, после чего произвел успешную посадку. Расчет траектории движения и управление параметрами движения на всех этапах полета осуществлялся бортовым вычислительным комплексом на основе ЭВМ "Бисер-4" на базе программного обеспечения, разработанного Институтом прикладной математики им. М.В. Келдыша. За посадку корабля отвечало Московское опытно-конструкторское бюро "Марс", которое с 2017 года входит в ГК "Росатом".

В 1992 г. шведской компанией Demaureux был разработан параллельный робот Delta^{16Более подробно об архитектуре и особенностях робота будет рассказано далее в этой лекции} .

В 1996 г. Дж. Эдвардом Колгейтом и Майклом Пешкиным, профессорами Северо-Западного университета, изобретен первый коллаборативный робот [ "Источники использованной литературы" ].

В 1997 г. - роботизированный марсоход Sojourner совершил посадку и работал на Марсе в течение 95 земных дней. В том же году компания SONY представила робота-собаку AIBO, который стал первым персональным роботом-питомцем и вызвал большой интерес к робототехнике.

Четвертый этап (2000-2015). На данном этапе получают развитие вычислительные возможности систем управления роботами, происходит более активное использование систем ИИ, роботы становятся все более интеллектуальными, создаются все более сложные мобильные роботы, умеющие приспосабливаться к работе в незнакомой среде. Начинается массовое коммерческое применение сервисных роботов. Сервисные роботы не только получают распространение в профессиональной деятельности (медицине, логистике, сельском хозяйстве), но также начинают осваивать домашнее пространство.

В 2000 г. был впервые продемонстрирован публике робот-андроид ASIMO, разработанный в Центре фундаментальных технических исследований Вако (Япония) корпорацией Honda. В 2002 г. компания iRobot представила робот-пылесос Roomba, который стал одним из первых успешных коммерчески доступных роботов для бытового использования. Ведутся активные исследования по созданию беспилотных автомобилей. В 2005 г. компания DARPA^{17Defense Advanced Research Projects Agency} (Агентство перспективных оборонных исследований) организовала соревнования Grand Challenge, где команды разрабатывали автономные автомобили-роботы для прохождения сложного маршрута. Меняется парадигма использования промышленных роботов. По мере того как они становятся более интеллектуальными, возникает возможность сотрудничества человека и робота в одном пространстве. В 2008 компанией Universal Robots был создан UR5 - коллаборативный робот, способный безопасно работать рядом с людьми. Интеллектуализация роботов дает толчок использованию мобильных роботов в военных приложениях.

Так, например, в 2010 г. компания Boston Dynamics создала робота BigDog, который представлял собой концепцию механического животного, способного передвигаться по сложному рельефу и переносить грузы. В 2013 г. компания Google приобрела компанию Boston Dynamics ^{18Позднее компания принадлежала Softbank и с 2021 г. компании Hyundai} , что привлекло внимание общественности к развитию робототехники и искусственного интеллекта. После 2012 года активно развивается направление глубоких нейронных сетей в распознавании изображений, что приводит к прорывам в области компьютерного зрения, применяемого в робототехнике. Эти достижения активно применяются для создания более совершенных систем навигации и преодоления препятствий. Развивается направление по использованию дронов с прицелом на массовый рынок. Например, в 2013 г. компания Amazon анонсировала проект Prime Air, использовавший беспилотные летательные аппараты для доставки товаров.

Начиная с 2007 года развивается экосистема для программирования роботов на базе ROS^{19Набор программ с открытым исходным кодом для разработки робототехнических приложений, призванный предложить разработчикам из разных отраслей стандартную программную платформу, которая позволит им пройти путь от исследований и создания прототипов до внедрения и производства. ROS 1 появилась в 2010 г, а ROS 2 в 2017 г.} (Robot Operating System). ROS со временем обрастает открытым сообществом, которое продвигает проект с открытым исходным кодом, позволяет разработчикам обмениваться опытом и идеями, а также получать поддержку и решать проблемы при разработке робототехнических систем.

Пятый этап (2016 - наст. вр.). Пятый этап характеризуется развитием глубоких нейронных сетей, дальнейшим внедрением технологий ИИ в робототехнику. Использование технологий 5G, а также технологий виртуальной и дополненной реальности выводит телеуправление на новый уровень, обеспечивая погружение оператора в окружающую телеробота среду за счет предоставления 3D картины, дополненной информацией об окружающих объектах.

Также в данный период получило активное развитие направление по созданию беспилотных автомобилей. Высокотехнологичные компании, и прежде всего Waymo^{20Бывший Google self-driving car project} , Uber и Tesla, продолжали проектировать и испытывать самоуправляемые автомобили. В России беспилотными транспортными средствами, и в том числе автомобилями, занимались Яндекс, Сбер, Камаз, Cognitive technologies, Интегрант.

Такие компании как Amazon, Яндекс и DHL внедряют автономных роботов для доставки товаров и посылок, что стало одним из важнейших направлений для робототехники, изменив методы и сроки доставки.

Совершенствование облачной робототехники привело к реализации так называемой концепции BoC (Brain on Cloud ^{21Дословно "мозг в облаке"}), которая подразумевает передачу вычислительных процессов и процессов принятия решений роботом в удаленную облачную систему. Вместо того чтобы сложные вычисления выполнялись непосредственно на бор- ту робота, часть задач обрабатывается облачными серверами. Это упрощает решения задач коллективного взаимодействия. Разрабатывается роевая робототехника. На этом же этапе получает развитие концепция Интернета роботизированных вещей IoRT (Internet of Robotic Things) - концепция, которая объединяет принципы Интернета вещей (IoT) и облачной робототехники для создания сетевой экосистемы взаимосвязанных робототехнических устройств. С помощью IoRT роботы могут собирать и анализировать данные с датчиков в режиме реального времени, взаимодействовать с другими устройствами и системами, дистанционно получать управляющие сигналы и обновления. Такая связь позволяет им адаптироваться к изменяющимся условиям, взаимодействовать с другими роботами или людьми, обмениваться информацией и оптимизировать свою работу. Подключенные к Интернету роботы используют облачные вычисления, аналитику больших данных и искусственный интеллект для расширения своих возможностей.

Роботы становятся все более доступными и простыми в программировании, что позволяет малым и средним компаниям интегрировать их в свой рабочий процесс. Совершенствуются инструменты разработки и обучения роботов. В 2017 г. была выпущена первая официальная стабильная версия ROS 2^{22ROS 2 (Robot Operating System 2) - набор инструментов для разработки программного обеспечения для роботов. ROS 2 является следующей версией популярной платформы ROS, разработанной Open Robotics. Предоставляет расширенные возможности и продвигается на волне успеха ROS 1, которая используется в огромном количестве робототехнических приложений по всему миру} .

Робототехника выходит за рамки мехатроники. Активно развиваются новые материалы для создания мягких роботов, создаются роботы микро- и наномасштаба.