Человек + робот + искусственный интеллект: BionicWorkplace от компании Festo

Мы уже привыкли к роботизированному оборудованию, которое широко используется на различных предприятиях. Хотя ему нужно проходить обучение, его основа — это работа по программе, и с этим мы успешно справляемся. Но остается та же проблема, которая не давала покоя человеку с древности, — интеллект. Это можно свести к философскому вопросу: как в производственном процессе объединить человека и машину-робота, не превратив первого в придаток второй, вынужденный подстроиться под ее возможности и потерять над ней власть?

Можно спросить: а зачем нам все это? Ведь есть специалисты — пусть работают, как раньше. Какой смысл тратить средства, причем немалые, на всякие новомодные штучки и модернизировать под них производство? Отчасти это обусловлено человеческой природой. Дело в том, что в индустрии произошла смена поколений — люди, рожденные на пороге 2000-х гг., уже привыкли к новым гаджетам и компьютерам, и крутить по восемь часов в день на токарном станке рукоятку подачи бабки с резцом они не будут [2].

Те, кто работает в производственной сфере, знают, что найти сейчас слесаря-сборщика, токаря или фрезеровщика — даже на зарплату в два-три раза выше средней — крайне проблематично. Новый резец для перевыполнения плана миллениалы уже делать не станут, — а вот программу управления станком с ЧПУ для оптимизации обработки поправить могут.

С другой стороны, вряд ли нас ожидает будущее, показанное, например, в британском научно-фантастическом фильме 2015 г. «Ex Machina», поскольку такой подход не только далек от возможной реализации, но и лишен какого-либо практического смысла.

Если вспомнить историю термина «робот», то он был впервые использован в 1920 г. чешским писателем Карелом Чапеком в пьесе «Р. У. Р.» («Россумские универсальные роботы»). И в это слово было заложено назначение машины (robot от чешского «robota» — подневольный труд) — выполнение без раздумий, но с предельной точностью конкретной, заданной человеком задачи. Механизм, хоть и наделенный интеллектом и быстро соображающий, прежде всего должен эффективно работать, а не красоваться.

Однако изменения в промышленности и, как уже было сказано, в социуме требуют внедрения интеллектуальных роботизированных систем, и к ним необходимо быть готовыми уже сейчас. При этом становится все важнее обеспечить, чтобы сотрудники могли быстро и интуитивно адаптироваться к новым задачам. Для этого требуются новые формы сотрудничества между людьми, машинами и программным обеспечением. Ключевую роль в данном случае играют системы самообучения с искусственным интеллектом и роботизированные решения автоматизации, которые могут работать рука об руку с оператором, т. е. человеком, и создавать конечный продукт путем прямого общения друг с другом. Всем этим требованиям соответствует BionicWorkplace — новаторская рабочая среда, представленная компанией Festo на всемирной выставке передовых достижений Hannover Messe 2018 (Ганновер, Германия) [3].

Работы компании Festo в области бионики, не связанные напрямую с той или иной сферой индустрии, но наглядно демонстрирующие уровень разработчиков компании, хорошо известны широкой публике. Они набирают сотни тысяч просмотров на YouTube. Это и бионическая стрекоза (BionicOpter), и бабочки (eMotionButterflies), и летающая лисица (BionicFlyingFox), а также такие экзотические вещи, как, например, катящийся паук (BionicWheelBot) или летающие сферы (eMotionSpheres), и своеобразные произведения искусства, созданные на грани высоких технологий, — как SmartInversion [8].

Что же касается решения более приземленных и насущных проблем, а именно интересующего нас индустриального производства, то с точки зрения выпускаемой продукции, а также организации рабочего места и будущего индустрии прежде всего важно обеспечить гибкость, причем даже на уровне выпуска единичных продуктов. И решением этой задачи видится использование искусственного интеллекта и обучения машин. Конечная цель заключается в превращении рабочих мест в самообучающиеся системы, которые постоянно развиваются и оптимально адаптируются к текущим требованиям.

Именно такой подход компания Festo демонстрирует на примере интеллектуальной рабочей среды BionicWorkplace: человек работает вместе с бионической роботизированной рукой, а также многочисленными дополнительными системами и периферийными устройствами, соединенными между собой в рамках общей управляющей сети, через которую они «общаются» друг с другом. Вся система организована так, чтобы избавить оператора от монотонной, утомительной или опасной деятельности [4].

Рабочее место в среде BionicWorkplace (рис. 1) эргономично спроектировано, и его можно индивидуально адаптировать к человеческим потребностям, вплоть до оптимизации режима освещения. В центре поля зрения оператора установлен большой проекционный экран. Он предоставляет всю необходимую информацию и быстро реагирует на текущие обстоятельства. Вокруг проекционного экрана установлены различные датчики и системы камер, которые постоянно фиксируют позиции рабочего, компонентов и инструментов [4]. Все это размещено на пневматической автоматизированной платформе, объединяющей высокоточную механику, датчики, а также комплексную систему управления и контроля на очень небольшом пространстве.

Рис. 1. Интеллектуальное рабочее место BionicWorkplace

В рамках Hannover Messe компания Festo продемонстрировала на BionicWorkplace сценарий производства штучного продукта. Была поставлена задача создания модели человеческой головы из секций, выполненных лазером, путем резки акрилового стекла [6]. Для этого сначала программа считывает отсканированное с помощью, например, планшета лицо, а затем преобразует сохраненные черты в CAD-модель, которая впоследствии разбивается на отдельные фрагменты. Далее на основе этого 3D-шаблона лазерный резак вырезает элементы из акрилового стекла. Кобот BionicCobot берет срезы непосредственно с резака и передает их в правильной последовательности оператору, который затем собирает их, чтобы создать заданную уникальную модель.

Пневматический легкий BionicCobot является ключевым компонентом рабочей среды BionicWorkplace. Этот робот (а вернее, кобот — коллаборативный робот, предназначенный для работы в общей среде с человеком [5]) представляет собой модель человеческой руки. Движения создаются сжатым воздухом, что делает такой манипулятор достаточно гибким — настолько, что он может напрямую и безопасно взаимодействовать с людьми. Это стало возможным благодаря использованию пневматики с цифровым управлением. Движения смоделированы по образцу человеческой руки: от плеча, локтя и предплечья до самого захвата. Каждый из семи суставов использует механизм работы бицепса и трицепса, представляя собой эффективное взаимодействие сгибающих и разгибающих мышц. Применяемый вместе с BionicCobot интеллектуальный пневмоостров Festo Motion Terminal VTEM, который является киберфизической системой [7], открывает совершенно новые возможности для безопасного сотрудничества людей с роботами и позволяет коботу BionicCobot выполнять быстрые, сильные или мягкие и осторожные движения.

Автоматическая подача материала в данном сценарии обеспечивается мобильным роботом Robotino, который автономно перемещается между станциями и безопасно находит путь с помощью лазерного сканера. В основе Robotino лежит система из трех двигателей, позволяющих роботу передвигаться по плоскости в любом направлении с регулируемой скоростью. Контроль над ними осуществляется встроенным компьютером: он способен прокладывать для робота маршруты, по которым тот сможет перемещаться автономно. Кроме того, компьютер считывает показания всех встроенных в робот сенсоров и дает пользователю возможность управлять роботом.

Загружает в Robotino материал BionicMotionRobot — усовершенствованная версия легкого робота-манипулятора, подобного хоботу слона и щупальцу осьминога. Это мягкая роботизированная структура с пневматическими присосками и движениями естественной формы, имеющая специальное объемное тканевое покрытие. Таким образом, конфигурация этих двух роботов объединяет в себе все ключевые элементы робототехники.

Датчики и системы камер регистрируют текущие позиции оператора, компонентов и инструментов, при этом оператор может интуитивно контролировать BionicCobot посредством жестов, касания или речи. Система узнает операторов (по голосу и лицу), а также реагирует на каждое инициированное ими действие. В ходе общения система узнает что-то новое и добавляет в так называемую семантическую карту, объем которой непрерывно растет. По сетевым путям хранящиеся в системе алгоритмы постоянно дают ту или иную реакцию, которая связана с динамическими изменениями выполняемого процесса. В результате система постоянно оптимизирует саму себя, а контролируемые, запрограммированные и заданные последовательности выполнения тех или иных операций постепенно стираются и уступают место гораздо более свободному «интеллектуальному» методу работы. Таким образом, обмен знаниями между оператором и машиной — а главное, обеспечение их доступности — осуществляется уже на глобальном уровне.

Интеллектуальное программное обеспечение одновременно обрабатывает все изображения камеры, позиционные данные и входы от различных периферийных устройств. Система использует всю эту информацию для выбора и создания оптимальной последовательности программ. Затем, для того чтобы оказать человеку наилучшую поддержку во время работы, система делит задачи на выполняемые роботом и другими механизмами.

Что касается движений оператора, то система распознает их благодаря специальной рабочей одежде, которая состоит из спецовки с длинными рукавами (со встроенными инфракрасными маркерами и инерционными беспроводными датчиками), а также специальной сенсорной перчатки (рис. 2). С помощью считывания данных датчиков BionicCobot способен с высокой точностью передавать своему «коллеге» предметы и нужные инструменты, а при необходимости выходить из зоны прямого контакта, что является обязательным и безусловным требованием для систем, в основе которых лежит прямое сотрудничество между людьми и роботами [5, 6].

Рис. 2. Специализированная рабочая одежда с сенсорами для работы в среде BionicWorkplace

Еще одним важным элементом интуитивной операционной концепции является дистанционная манипуляция. Для этого используется трехмерная стереокамера с углом обзора 180°, которая охватывает все рабочее пространство. В то же время оператор, даже пространственно отделенный от рабочей среды, помимо спецовки с датчиками и тактильных перчаток может применять еще и очки виртуальной реальности. Он может использовать их для доступа к изображениям с камеры в реальном времени и выполнять необходимые действия. Таким образом, управление роботом может осуществляться при пространственном разделении с оператором или — при необходимости — с безопасного расстояния (рис. 3).

Рис. 3. Удаленное управление интеллектуальным рабочим местом BionicWorkplace

После обучения и оптимизации процессы и возможности BionicWorkplace можно легко перенести в реальном времени на другие системы того же типа и открыть к ним доступ в любой точке мира. В будущем, например, можно будет интегрировать рабочие места в глобальную сеть, в которой будут использоваться общие модули знаний, а сообщения — подаваться на национальных языках. Благодаря этому производство станет не только более гибким, но и более децентрализованным. Операторы в сотрудничестве с таким интеллектуальным оборудованием смогут, к примеру, вызывать через интернет-платформу необходимые производственные заказы и изготавливать детали или некие агрегаты автономно, в соответствии с индивидуальными пожеланиями и требованиями клиентов.

Рис. 4. Ключевые элементы современной робототехники от компании Festo. BionicWorkplace: BionicCobot, взаимодействующий с BionicMotionRobot и Robotino

Благодаря интеллектуальным рабочим местам, способным к обучению, таким как BionicWorkplace, и использованию многофункциональных инструментов сотрудничество между людьми и машинами станет еще более интуитивным, простым и эффективным. Блоки знаний и новые навыки, полученные после обучения, можно безгранично распределять и предоставлять в глобальном масштабе. Поэтому в будущем можно будет создать всемирную сеть рабочих мест с местными и индивидуальными адаптациями. Один из возможных сценариев, который объединяет все ключевые элементы робототехники, — BionicCobot, взаимодействующий с BionicMotionRobot и Robotino в рамках BionicWorkplace (рис. 4).

Рис. 5. Оператор работает вместе с бионической роботизированной рукой, а также с многочисленными вспомогательными системами и периферийными устройствами, которые связаны и «общаются» друг с другом

Некоторые особенности перспективного инновационного решения BionicWorkplace компании Festo приведены на рис. 5–6. Несомненно, BionicWorkplace — это технология будущего, ориентированная на новое поколение специалистов, которые, как это характерно для развивающейся цивилизации, выведут ее на следующий уровень.

Рис. 6. Люди могут контролировать BionicCobot посредством жестов, прикосновений или речи