Что такое робот? Какие виды роботов бывают и где они применяются

Робот – это машина, обычно запрограммированная, которая может выполнять сложную серию действий автоматически. Определение из международного стандарта ISO 8373:2012 гласит:

«Робот (robot): исполнительный механизм, программируемый по двум или более степеням подвижности, обладающий определенной степенью автономности и способный перемещаться во внешней среде с целью выполнения задач по назначению».

Роботы могут сильно различаться по конструкции и функциям. Некоторые роботы имитируют движения человека (гуманоидные роботы), другие разработаны и запрограммированы для выполнения конкретных задач, которые могут быть самыми разными: от сборки автомобилей на заводах, исследования опасных сред, проведения сложных операций в здравоохранении до мытья полов в домах.

Современные роботы также могут воспринимать, интерпретировать и реагировать на окружающий мир с помощью датчиков. Они используются в самых разных областях, включая производство, медицину, науку и исследования, безопасность, развлечения и повседневные задачи.

Достижения в области машинного обучения и искусственного интеллекта еще больше расширили возможности роботов, обеспечив им большую автономность, способность принимать решения и адаптироваться к изменяющимся условиям.

Что такое роботы: между автоматизацией и автономией

Что такое роботы? Этот термин используется в различных контекстах, и в настоящее время не существует общепринятого определения. Несмотря на это, существуют ключевые характеристики, которые приняты при отнесении чего-либо к категории роботов.

Прежде всего, роботы – это автоматизированные устройства. Они могут не обладать полной автономией, но способны самостоятельно выполнять определенные действия. Это приводит к распространенному недоразумению: можно ли считать роботом радиоуправляемую машину или подобное устройство. Хотя эти устройства могут общаться с оператором и получать команды или даже действовать на основе заранее заданных инструкций, им не хватает некоторых критических признаков, которые отличают настоящего робота.

Кроме того, все роботы являются программируемыми механизмами. Их действия контролируются программами, диктующими выполняемые ими задачи, которые разрабатываются и реализуются людьми. Хотя робот не может выполнять действия, выходящие за рамки его программы, это не обязательно означает, что он всегда будет действовать так, как задумано человеком. Однако эти исключительные ситуации являются предметом другого обсуждения.

Является ли роботом стиральная машина? В конце концов, она работает автоматически и программируется. Однако большинство из нас инстинктивно отказываются называть стиральную машину или радиоуправляемую игрушку роботом. Почему?

Разница заключается в двух основных характеристиках. Во-первых, алгоритм робота является адаптируемым и изменяемым, тогда как алгоритм автомата, такого как стиральная машина, фиксирован и неизменен. Во-вторых, робот получает, обрабатывает и использует данные из окружающей среды для принятия решений, в то время как автомат этого не делает.

Важно также отметить, что термин «робот» может выходить за рамки физических машин. Программные боты, включая боты с обработкой естественного языка (NLP), такие как голосовые помощники, также могут быть классифицированы как роботы. Таким образом, гуманоид Атлас, занимающийся паркуром, автономные пылесосы и голосовой помощник Алиса – все они попадают под определение «робототехники».

Понимание этих различий помогает в разработке и регулировании роботов, обеспечивая их эффективное и этичное использование в постоянно растущем числе областей, от производства и здравоохранения до развлечений и повседневных задач.

История роботов: от автоматонов до ИИ

Концепция создания искусственных существ, способных самостоятельно выполнять задачи, была частью истории человечества на протяжении тысячелетий. Хотя термин «робот» может вызвать по ассоциации образы современных высокотехнологичных заводов или автономных автомобилей, само явление гораздо старше термина.

Самые ранние примеры того, что можно считать предшественниками роботов, можно проследить в Древней Греции и Египте, где для выполнения определенных задач создавались механические статуи, приводимые в движение водой, паром или сложными системами передач. Эти устройства были, в некотором смысле, автоматами: самодействующими машинами, предназначенными для выполнения заранее определенных инструкций.

В XVIII и XIX веках произошла промышленная революция, в ходе которой машины стали в значительных масштабах заменять человеческий труд. Ткачество, шитье и другие ручные работы стали автоматизированными, что привело к новой эре производства. Несмотря на то, что эти машины были далеко не автономными, они заложили основу для будущего развития робототехники.

Термин «робот» был впервые введен в 1920 году чешским драматургом Карелом Чапеком в его пьесе «R.U.R.» (Универсальные роботы Россума). Слово «робот» произошло от чешского слова «robota», означающего принудительный труд, и в пьесе роботы в конечном итоге подняли восстание против своих создателей-людей, к этой теме часто возвращаются в современной научной фантастике.

Реальный мир начал догонять фантастику в середине XX века. В 1950-х и 60-х годах появились первые по-настоящему автономные машины.

По мере развития технологий робототехника начала интегрироваться с информатикой, что привело к появлению области искусственного интеллекта (ИИ). В 1980-х и 90-х годах были разработаны роботы, способные выполнять сложные задачи. Робототехника начала находить применение в различных областях, таких как медицина, военное дело, освоение космоса и даже домашнее хозяйство.

В начале XXI века робототехника совершила очередной скачок вперед благодаря внедрению машинного обучения и передовых алгоритмов искусственного интеллекта. Теперь роботы смогли не только выполнять запрограммированные инструкции, но и учиться на собственном опыте и адаптироваться к новым ситуациям.

Современные роботы варьируются от физических объектов, таких как промышленные роботы и автономные транспортные средства, до программных роботов, таких как чат-боты и виртуальные помощники. Развитие искусственного интеллекта и машинного обучения продолжает расширять границы их возможностей.

За кулисами робототехники: ключевые технологии

Робототехника – это обширная, многодисциплинарная область пересечения техники, науки и технологии. За последние несколько десятилетий она кардинально изменила множество отраслей. Но какие технологии лежат в ее основе?

Механическая инженерия и проектирование аппаратного обеспечения

По своей сути роботы – это механические устройства. Поэтому принципы машиностроения, включая кинематику, динамику и системы управления, являются основополагающими для робототехники. Физические компоненты роботов – шестерни, приводы, датчики и источники питания – проектируются и конструируются с использованием этих принципов.

Микроконтроллеры и встраиваемые системы

Микроконтроллеры служат «мозгом» многих роботов, управляя их действиями на основе данных от датчиков и предварительно заданных программ. По сути, это небольшие компьютеры на одной интегральной схеме, содержащие процессорное ядро, память и программируемые периферийные устройства ввода/вывода.

Встраиваемые системы – это специализированные компьютерные системы, которые являются частью более крупной машины или системы. В робототехнике они часто используются для управления конкретными функциями робота, такими как движение, взаимодействие с окружающей средой или обработка данных.

Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (ML)

ИИ и его подвид, машинное обучение, играют ключевую роль в создании роботов, способных «думать» и обучаться. ИИ дает роботам способность обрабатывать информацию, принимать решения и решать проблемы, как это делает человек. Машинное обучение позволяет роботам учиться на своем опыте и улучшать свои характеристики с течением времени, не будучи явно запрограммированными на это. Такая способность к адаптации и обучению особенно полезна для роботов, предназначенных для выполнения сложных задач или взаимодействия с непредсказуемой средой.

Компьютерное зрение

Компьютерное зрение дает роботам возможность воспринимать окружающий мир, отчасти воспроизводя сложность человеческого зрения. Эта технология позволяет роботам анализировать и интерпретировать визуальные данные, распознавать объекты, понимать сцены и ориентироваться в окружающей среде. Она необходима для роботов, которые должны взаимодействовать с окружающей средой значимыми способами, например, для автономных транспортных средств или складских роботов.

Датчики и исполнительные механизмы

Датчики и исполнительные механизмы – это элементы, которые позволяют роботам взаимодействовать с окружающей средой. Датчики собирают данные об окружающей среде или о самом роботе, такие как температура, свет, движение и расстояние. Затем эти данные обрабатываются и используются для принятия решений.

Приводы – это «мышцы» робота, превращающие сигналы управления в физическое движение. В зависимости от типа и назначения робота это могут быть электродвигатели, гидравлические поршни или даже сплавы с памятью формы, которые меняют форму при нагревании.

Обработка естественного языка (NLP)

Для роботов, которые взаимодействуют с людьми, очень важна обработка естественного языка (NLP). NLP позволяет роботам понимать, интерпретировать и генерировать человеческий язык. Эта технология лежит в основе функциональности голосовых помощников, чат-ботов и роботов, используемых для обслуживания клиентов или ухода за больными.

Области применения роботов

Роботы используются в самых разных отраслях благодаря своей универсальности, эффективности и способности выполнять задачи, которые могут быть опасными или сложными для человека. Вот некоторые из ключевых областей, в которых роботы были интегрированы.

Производство и промышленное применение

Возможно, наиболее привычным местом применения роботов является заводской цех. Промышленные роботы могут выполнять такие задачи, как сборка, покраска, сварка, проверка продукции и упаковка с высокой точностью и скоростью. Они особенно полезны при выполнении повторяющихся, опасных или требующих высокой степени точности задач.

Здравоохранение

Роботы в здравоохранении принимают различные формы: от хирургических роботов, которые помогают врачам выполнять деликатные процедуры, до экзоскелетов, которые помогают пациентам с проблемами подвижности. Другие области применения – дезинфекционные роботы, роботы для телемедицины, автоматизированные управляемые транспортные средства (AGV) для транспортировки материалов и терапевтические роботы.

Военное дело и оборона

Роботы широко используются для выполнения различных задач в армии. К ним относятся беспилотные летательные аппараты (БПЛА) или дроны для наблюдения и иногда для нанесения целевых ударов, беспилотные наземные транспортные средства (БНТС) для обезвреживания бомб и беспилотные подводные аппараты (БПЛА) для морских операций.

Сельское хозяйство

Роботы все чаще используются в сельском хозяйстве для повышения эффективности и производительности. Они могут использоваться для выполнения таких задач, как посадка семян, сбор урожая, мониторинг состояния посевов и доение коров.

Освоение космоса

Роботы играют важнейшую роль в исследовании враждебных или недоступных для человека сред. Например, марсоходы НАСА предоставили бесценные данные о геологии и климате красной планеты.

Бытовое использование

Роботам нашлось место и в наших домах. К бытовым роботам относятся автоматические пылесосы, роботы для стрижки газонов и интерактивные игрушки. Персональные роботы-ассистенты, такие как Amazon Alexa или Google Assistant, используют искусственный интеллект для понимания и реагирования на команды пользователя.

Образование

Роботы используются в качестве образовательных инструментов для практического обучения, особенно в области науки, техники, инженерии и математики (STEM). Они могут помочь учащимся развить такие навыки, как программирование, решение проблем и работа в команде.

Логистика и управление складом

Роботы используются на складах для выполнения таких задач, как сортировка, упаковка, управление запасами и погрузка. Они могут работать круглосуточно, повышая эффективность и снижая операционные расходы.

Обслуживание клиентов

Компании все чаще используют роботов, часто в виде чат-ботов, для обслуживания клиентов. Они могут обрабатывать запросы клиентов, обрабатывать заказы и предоставлять информацию, зачастую с меньшим временем ожидания, чем операторы-люди.

Виды роботов

Промышленные

Unimate, роботизированная рука, предназначенная для выполнения повторяющихся задач, была установлена на заводе General Motors в 1961 году. Это означало появление промышленной робототехники.

Промышленные роботы стали мощной силой в современном производстве. Эти программируемые машины созданы для выполнения сложных и повторяющихся задач, повышения эффективности и снижения трудозатрат. Выполняя задачи с недоступной человеку скоростью, точностью и выносливостью, они произвели революцию в промышленности.

Промышленные роботы способны выдерживать суровые условия, работать на высокой скорости и обеспечивать точность, что делает их пригодными для выполнения задач, опасных или сложных для человека.

Промышленные роботы бывают нескольких типов, каждый из которых предназначен для выполнения определенных задач:

Шарнирно-сочлененные роботы: имеют вращающиеся шарниры и могут варьироваться от простых двухшарнирных конструкций до сложных десятишарнирных. Они являются наиболее распространенным типом промышленных роботов.

Картезианские (Декартовы) роботы: известны как портальные или прямолинейные роботы; они используют декартову систему координат (X, Y и Z) для перемещения. Они часто используются для подбора и размещения, нанесения герметика, сборочных операций и работы со станками.

Роботы SCARA: аббревиатура расшифровывается как Selective Compliance Assembly Robot Arm (робот-манипулятор для сборки с выборочным соответствием требованиям); обычно используются в сборочных операциях благодаря своей круглой рабочей зоне и быстрым, точным движениям. Их кинематика основана на рычажной системе, обеспечивающей перемещение конечного звена в плоскости за счет вращательного привода рычагов механизма

Роботы «Дельта»: дельта-роботы, также известные как роботы-пауки, построены из сочлененных параллелограммов, соединенных с общим основанием. Они особенно полезны в ситуациях, когда требуется быстрое и точное выполнение задач по комплектации и размещению.

Цилиндрические роботы: эти роботы работают в рабочей зоне цилиндрической формы и обычно используются для сборочных операций, работы со станками, точечной сварки и литья под давлением.

Бытовые

По мере развития робототехники мы видим все большее присутствие роботов не только на заводах и в офисах, но и в наших домах. Бытовые роботы, известные как домашние или сервисные роботы, призваны помогать нам в домашних делах, предлагать развлечения или помогать людям с проблемами здоровья. Эта новая волна робототехники превращает научную фантастику в реальность, внося значительные изменения в нашу повседневную жизнь.

Бытовые роботы предназначены для автономного выполнения бытовых задач. В целом их можно разделить на две категории. Во-первых, роботы, ориентированные на выполнение конкретных задач, такие как роботы-пылесосы, газонокосилки, чистильщики бассейнов и водостоков, предназначены для автоматизации конкретных работ по дому. Во-вторых, социальные роботы, или роботы-компаньоны, предназначены для взаимодействия с людьми, обеспечения дружеского общения или оказания помощи, например, роботы, используемые для ухода за пожилыми людьми.

Вот несколько видов популярных бытовых роботов:

Роботы-пылесосы: эти устройства используют датчики и искусственный интеллект, чтобы перемещаться по дому, пылесося на ходу. Некоторые модели даже возвращаются на свои док-станции для подзарядки и могут быть запрограммированы на уборку в определенное время.

Роботизированные газонокосилки: эти роботы могут обслуживать газон без участия человека. Они используют пограничные провода для определения участка, который нужно подстричь, и могут возвращаться на док-станцию для подзарядки, когда это необходимо.

Роботы-компаньоны: такие роботы, как Pepper от Softbank или меньшее настольное устройство Jibo, предназначены для взаимодействия с людьми на социальном уровне. Они могут распознавать и реагировать на эмоции, вести беседу, рассказывать истории и даже преподавать уроки.

Роботы для здравоохранения: такие роботы, как терапевтический робот PARO, похожий на детеныша тюленя, используются в больницах и домах престарелых для обеспечения комфорта и снижения стресса у пациентов.

Однако сфера бытовой робототехники все еще находится в зачаточном состоянии, и по мере развития технологий и снижения стоимости роботы, вероятно, станут более привычной частью нашей повседневной жизни. Развитие искусственного интеллекта, машинного обучения и обработки естественного языка еще больше расширит их возможности, позволяя им учиться у окружающей среды, лучше понимать и взаимодействовать с людьми.

Андроиды

Андроиды – это роботы, которые выглядят как люди. Созданные для того, чтобы напоминать и имитировать поведение и характеристики человека, эти машины перешли из области научной фантастики в научный факт, вызывая интерес, а иногда и этические споры.

Гуманоидный робот (андроид) – это робот, созданный по подобию человеческого тела, часто с головой, двумя руками, туловищем и двумя ногами, хотя дизайн может быть разным. Это не просто антропоморфные машины, их цель – взаимодействовать с человеческими инструментами и средой, понимать и реагировать на поведение человека, а также общаться в человекоподобной манере.

Гуманоидная робототехника была привлекательной концепцией на протяжении столетий, с ранних автоматов в Древней Греции и механических существ, задуманных Леонардо да Винчи.

Вехи ее развития включают WABOT-1, представленный Университетом Васеда в Японии в 1973 году, который считается первым полномасштабным человекоподобным роботом. Еще одним пионером стал ASIMO компании Honda, выпущенный в 2000 году, который способен распознавать лица, понимать речь и ориентироваться в окружающей среде.

Сегодня передовые человекоподобные роботы, такие как Atlas от Boston Dynamics и Sophia от Hanson Robotics, демонстрируют впечатляющие возможности. Они могут бегать, прыгать, перемещаться по неровной местности, вести беседы, демонстрировать человекоподобное выражение лица и даже получать гражданство, как это сделала «София» в Саудовской Аравии в 2017 году.

Гуманоидные роботы имеют широкий спектр потенциальных применений:

Исследования и образование: многие человекоподобные роботы служат платформами для исследований в области биомеханики, искусственного интеллекта и взаимодействия человека и робота.

Здравоохранение: от ухода за пациентами и реабилитации до проведения сложных операций, человекоподобные роботы могут дополнить медицинское обслуживание и улучшить результаты лечения пациентов.

Обслуживание клиентов: компании все чаще используют человекоподобных роботов для работы с клиентами, например, Pepper в магазинах SoftBank или Josie Pepper в аэропорту Мюнхена.

Исследование космоса: Robonaut НАСА и SpaceJustin Европейского космического агентства, а также российский робот «Федор» являются примерами человекоподобных роботов, предназначенных для выполнения задач, слишком опасных или обыденных для астронавтов, от ремонта оборудования до научных экспериментов.

Реагирование на стихийные бедствия: роботы типа Atlas могут преодолевать сложные участки местности и выполнять спасательные задачи в условиях, слишком опасных для человека, например, в районах, охваченных стихийными бедствиями или на ядерных объектах.

Военные

По мере ускорения технологических инноваций меняется облик поля боя будущего. В авангарде этих достижений находятся военные роботы. Эти автоматизированные системы, предназначенные для выполнения множества функций, революционизируют ведение войны, расширяют возможности и обещают новую эру военной стратегии.

Военные роботы – это автономные или дистанционно управляемые устройства, предназначенные для военных целей. Они бывают разных форм и размеров, каждый из них выполняет определенные функции, от наблюдения и разведки до боевой поддержки и обезвреживания взрывчатых веществ. Выполняя опасные или логистически сложные задачи, эти роботы стремятся оградить солдат от опасности. Какими они бывают?

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА): эти роботы, также известные как беспилотники, используются для выполнения различных задач, таких как разведка, поиск целей и нанесение авиаударов. Они предоставляют данные в режиме реального времени, что делает их бесценными для миссий разведки, наблюдения и рекогносцировки.

Беспилотные наземные транспортные средства (UGVs): эти роботы выполняют целый ряд задач на земле, от обезвреживания бомб и наблюдения до доставки грузов на враждебные территории. Они умеют перемещаться по труднопроходимой местности и проходить там, где человек не может.

Беспилотные морские транспортные средства (UMVs): беспилотные подводные аппараты (UMV) и беспилотные надводные аппараты (USV) используются для обнаружения мин, подводного наблюдения, противолодочной войны и океанографических исследований.

Боевые роботы: эти роботы предназначены для непосредственного участия в боевых действиях. Они могут быть оснащены различным оружием и способны действовать в условиях, которые для человека являются смертельно опасными.

Программные роботы и искусственный интеллект

Программный робот, или бот, – это программа, предназначенная для автоматизации определенной задачи или ряда задач. От простых скриптов, выполняющих повторяющиеся задачи, до сложных алгоритмов, имитирующих человеческое взаимодействие в Интернете, боты формируют нашу цифровую экосистему.

ИИ – это область компьютерных наук, посвященная созданию машин, имитирующих человеческий интеллект. Это может варьироваться от узконаправленных приложений, таких как игра в шахматы или распознавание голоса, до теоретической возможности выполнения любой интеллектуальной задачи, которую может выполнить человек, известной как искусственный интеллект общего назначения (ИИОН).

Технологии ИИ включают машинное обучение (ML), когда алгоритмы учатся на основе данных, чтобы принимать решения или делать прогнозы, и обработку естественного языка (NLP), позволяющую машинам понимать и генерировать человеческий язык.

Пересечение программных роботов и ИИ привело к интеллектуальной автоматизации. Боты RPA (Robotic Process Automation, роботизированная автоматизация процессов, в том числе имитация действий человека в графическом пользовательском интерфейсе), оснащенные возможностями ИИ, могут выполнять сложные задачи, принимать решения на основе данных и учиться на основе своих взаимодействий. Например, интеллектуальный чат-бот может обрабатывать запросы клиентов, изучая опыт предыдущих взаимодействий для улучшения своих ответов. Боты RPA с поддержкой ИИ могут обрабатывать неструктурированные данные, принимать решения на основе алгоритмов ML и обрабатывать исключения, снижая необходимость вмешательства человека.

Перспективы

Путь роботов от древних механических автоматов до современных машин с искусственным интеллектом является ярким примером человеческого творчества и технологического прогресса. В будущем робототехника обещает еще больше изменить нашу жизнь, поскольку передовые разработки в таких областях, как автономный транспорт, передовое производство, здравоохранение и так далее открывают для них все новые и новые ниши.