Коллаборация нескольких роботов: от интеллекта отдельного робота к системному интеллекту

Здравствуйте, я Аллен Ли, основатель HONPINE.

На протяжении последних нескольких лет мы глубоко размышляли над одним вопросом: что определит следующий этап развития робототехники? Будет ли это дальнейшее повышение возможностей одного робота или создание условий для совместной работы нескольких роботов как интеллектуальной системы?

Я считаю, что оба направления важны. Интеллект одного робота будет продолжать развиваться, однако по мере внедрения роботов во всё более сложные сферы применения, такие как логистика, производство, строительство, инспекция, специализированные операции, гуманоидная робототехника и интеллектуальная автоматизация, становятся очевидными пределы того, чего один робот может достичь самостоятельно.

Ещё больше меня интересует переход от независимо работающих роботов к роботам, становящимся подключёнными узлами системы, которые могут обмениваться информацией, распределять задачи, координировать движения и реагировать на изменения окружающей среды.

Именно поэтому я считаю, что коллаборация нескольких роботов станет одним из важных направлений будущего развития робототехники.

Коллаборация нескольких роботов — это больше, чем простое добавление роботов

Когда люди впервые задумываются о многороботной системе, естественно предположить, что если один робот способен выполнить одну задачу, то десять роботов должны быть способны выполнить в десять раз больше задач.

На практике всё значительно сложнее.

Когда один робот работает самостоятельно, фундаментальный вопрос обычно звучит так: «Как мне выполнить свою задачу?»

Когда несколько роботов работают в одной среде, вопрос становится гораздо сложнее: «Как нам выполнить наши задачи вместе, не мешая друг другу?»

Рассмотрим автоматизированный склад, где несколько AGV одновременно перевозят материалы. Если два мобильных робота одновременно приближаются к узкому проходу, какой из них должен иметь приоритет? Если для одной задачи доступны несколько роботов, какой из них следует выбрать? Если ближайший к задаче робот внезапно выходит из строя, какой робот должен его заменить? Если нескольким роботам необходимо войти в одно рабочее пространство, как следует координировать доступ и движение?

Это уже не просто задачи управления движением отдельного робота. Это задачи координации и организации на уровне системы.

Поэтому успешная многороботная система требует большего, чем дополнительные машины. Роботам необходимо общее понимание собственного состояния, состояния других роботов, выполняемых задач и действий, которые могут происходить далее.

В типичной многороботной архитектуре ROS2 распределённая связь, управление пространствами имён, распределение задач, управление построением, синхронизация состояний и предотвращение столкновений совместно формируют основу для скоординированной работы роботов.

Это приводит меня к важному выводу: будущая конкурентоспособность робототехники будет зависеть не только от возможностей отдельного робота, но и от того, насколько эффективно может работать совместно вся роботизированная система.

От интеллекта отдельного робота к интеллекту системы

Я считаю, что это представляет собой важный переход для отрасли робототехники.

Традиционно при оценке робота мы обращаем внимание на такие параметры, как полезная нагрузка, точность позиционирования, скорость, повторяемость, крутящий момент суставов, жёсткость и надёжность. Эти характеристики останутся фундаментальными.

Однако, когда роботы начинают работать как скоординированные системы, нам необходимо задавать более широкий круг вопросов.

Может ли робот непрерывно понимать, где находятся другие роботы? Может ли он знать, какие задачи выполняют другие роботы? Может ли он в реальном времени передавать информацию о собственном рабочем состоянии? Может ли он выявлять аномальные условия до того, как они приведут к отказам? Может ли система быстро перераспределять задачи при изменении условий эксплуатации? Что произойдёт при прерывании связи или недоступности одного робота?

Эти вопросы демонстрируют фундаментальное изменение архитектуры роботов.

Робот больше не является просто машиной, выполняющей заранее определённую задачу. Он становится сетевым, осведомлённым о состоянии и совместно работающим интеллектуальным узлом.

Разработка многороботных систем уже включает распределённую связь, распределение задач, синхронизацию состояний, управление построением и предотвращение столкновений. По мере развития этих технологий граница между отдельным роботом и более крупной роботизированной системой будет становиться всё более взаимосвязанной.

Это заставляет меня задуматься о другом вопросе, который особенно важен для нас в HONPINE:

Если интеллект роботов поднимается на уровень системы, что должно происходить с суставами, физически создающими движение робота?

Суставы роботов должны стать чем-то большим, чем «мышцы» робота

Это один из вопросов, которые мы исследуем в HONPINE.

В традиционном определении сустава робота его основная функция проста: преобразовать команду движения от контроллера в механическое перемещение.

Поэтому типовой интегрированный модуль сустава робота может состоять из прецизионного редуктора, двигателя, энкодера, тормоза и системы привода. Эта архитектура доказала высокую эффективность для традиционных промышленных роботов.

Но я считаю, что будущим роботам потребуется нечто большее.

Если ожидается, что робот будет участвовать в коллаборации нескольких роботов, его суставы не могут знать лишь заданный угол поворота. Им также необходимо понимать собственное рабочее состояние.

Каково фактическое выходное положение? Какова текущая скорость? Какую нагрузку несёт сустав? Находится ли температура в безопасном диапазоне? Правильно ли функционирует канал связи? Нормально ли работает тормоз? Есть ли аномальное различие между положением со стороны двигателя и со стороны выхода? Испытывает ли сустав аномальный крутящий момент или перегрузку?

Когда эта информация может непрерывно собираться и передаваться в систему управления роботом, сустав становится чем-то большим, чем пассивный исполнительный механизм.

Он становится важным источником информации о состоянии движения робота.

Именно так я понимаю интеллектуальные суставы роботов следующего поколения.

Почему двойные энкодеры становятся всё более важными?

Именно поэтому HONPINE уделяет большое внимание технологии двойных энкодеров.

В традиционной конфигурации с одним энкодером система может получать обратную связь со стороны двигателя. Однако фактическое механическое движение робота происходит на выходной стороне механизма редукции.

Величина вращения двигателя не обязательно отражает точное движение, происходящее на конечном выходе.

По этой причине энкодеры со стороны двигателя и выходной стороны могут выполнять разные, но взаимодополняющие функции.

Энкодер со стороны двигателя может обеспечивать обратную связь для коммутации двигателя, регулирования скорости и определения положения двигателя. Энкодер выходной стороны может непосредственно измерять фактическое положение сустава робота после ступени передачи.

По мере роста требований к точности движения, динамической реакции и мониторингу состояния роботов обратная связь с выходной стороны становится всё более ценной.

Для коллаборации нескольких роботов это ещё важнее. Если каждый сустав может точно определять собственное фактическое состояние движения, контроллер робота может построить более надёжную модель робота в реальном времени.

С этой точки зрения двойные энкодеры — это не просто способ повысить точность позиционирования сустава. Они обеспечивают более полный механизм обратной связи для понимания фактического состояния движения робота.

От обратной связи по положению к измерению крутящего момента и усилия

Однако для многих будущих роботизированных применений недостаточно знать, в каком положении находится сустав.

Для коллаборативных роботов, гуманоидных роботов, систем с силовым управлением и многороботных манипуляций становится существенным другой вопрос:

Какое усилие или крутящий момент испытывает робот?

Представим двух роботов, которые совместно переносят один объект. Если каждый робот знает только собственное положение, но не располагает информацией об усилии или крутящем моменте, приложенном к объекту, поддержание стабильного скоординированного движения становится значительно сложнее.

Гуманоидные роботы сталкиваются с аналогичной проблемой при физическом взаимодействии с людьми или окружающей средой. Одной информации о положении недостаточно для полного описания взаимодействия между роботом и внешним миром.

Именно поэтому я считаю, что разработка модулей суставов роботов будет постепенно переходить от обратной связи по положению к сочетанию информации о положении, крутящем моменте, усилии и комплексном состоянии сустава.

Вопрос уже не сводится к тому, может ли сустав точно двигаться. Нам также необходимо понимать, может ли сустав точно воспринимать происходящее во время этого движения.

Для HONPINE это делает интегрированные суставы роботов с измерением крутящего момента важным направлением дальнейших исследований и разработок.

Суставы роботов становятся сетевыми узлами движения

Ещё одной важной тенденцией является растущая подключённость суставов роботов.

В традиционных роботизированных архитектурах связь между контроллером и суставом может быть относительно простой: контроллер отправляет команду, а сустав её выполняет.

Будущим роботизированным системам, вероятно, потребуется значительно более насыщенное взаимодействие.

Каждый сустав может стать узлом в сети управления робота в реальном времени. Он может получать команды движения и одновременно передавать такую информацию, как положение, скорость, крутящий момент, температура, ток, состояние неисправностей, состояние тормоза и состояние безопасности.

Эта концепция естественным образом соответствует развитию распределённых многороботных систем, в которых связь в реальном времени и синхронизация состояний необходимы для скоординированной работы.

С точки зрения HONPINE это означает, что разработка модуля сустава робота не может быть сосредоточена только на механических характеристиках.

Нам необходимо учитывать полную архитектуру механической передачи, электрической интеграции, датчиков, связи и безопасности.

Прецизионный редуктор остаётся фундаментальным компонентом, однако ценность полного сустава всё больше определяется тем, насколько эффективно эти технологии работают вместе.

Безопасность станет фундаментальной возможностью интеллектуальных суставов роботов

По мере того как роботы сближаются с людьми, безопасность будет приобретать всё большее значение.

Это особенно относится к коллаборативным роботам, гуманоидным роботам, мобильным роботам, инженерным роботам и другим системам, работающим в динамических средах. Отказ одного сустава может повлиять не только на самого робота, но и на работу всей роботизированной системы.

Поэтому будущие модули суставов роботов нуждаются в более комплексных механизмах безопасности, включая защиту от перегрузки по току, защиту от перегрева, обнаружение ошибок энкодера, мониторинг отклонения положения, обнаружение аномального крутящего момента, обнаружение неисправностей связи и безопасное управление крутящим моментом.

Например, серияHAG от HONPINE интегрирует STO (Safe Torque Off) как часть своей архитектуры безопасности в дополнение к функции торможения.

Тормоз и STO служат разным целям. Тормоз может помогать поддерживать механическое положение сустава в определённых условиях, тогда как STO обеспечивает функцию безопасности на уровне привода, предотвращающую создание крутящего момента двигателем.

С моей точки зрения, эти функции не следует рассматривать как взаимозаменяемые. Они могут образовывать взаимодополняющие уровни в более комплексной архитектуре безопасности робота.

Я считаю, что функции безопасности будут постепенно переходить из категории опциональных характеристик в фундаментальные возможности интеллектуальных суставов роботов.

Почему HONPINE переосмысливает модуль сустава робота?

Когда мы объединяем все эти направления развития, становится ясно, что будущий сустав робота, вероятно, будет гораздо большим, чем сочетание гармонического редуктора, двигателя, энкодера и тормоза.

Передовой интегрированный сустав робота может объединять прецизионную передачу, технологию двигателя, обратную связь двойных энкодеров, измерение крутящего момента, интегрированную электронику привода, связь в реальном времени, функции безопасности и мониторинг состояния сустава в компактной архитектуре.

Что ещё важнее, эти функции не должны существовать как изолированные компоненты. Им необходимо работать вместе как интегрированному интеллектуальному узлу движения.

Это важное направление для исследований и разработокмодулей суставов роботов HONPINE.

Мы заинтересованы не только в том, чтобы сделать суставы роботов меньше, легче или способными развивать больший крутящий момент. Эти инженерные цели остаются важными, но не являются всей картиной.

Мы также задаёмся вопросом, как сустав робота может обеспечивать более полные возможности восприятия состояния движения, связи, безопасности и исполнения.

Именно это, как я считаю, будет отличать интеллектуальные исполнительные механизмы следующего поколения от традиционных роботизированных исполнительных механизмов.

Направление HONPINE для модулей суставов роботов следующего поколения

С точки зрения продуктов и технологий я считаю, что HONPINE следует развивать несколько взаимодополняющих платформ суставов роботов для различных роботизированных применений.

HPJM: высоконадёжные суставы роботов с высоким крутящим моментом

HPJM предназначен для применений, в которых критически важны высокий крутящий момент, жёсткость, надёжность и долговременная стабильность.

Промышленные роботы, инженерные роботы, мобильные роботы и тяжёлые роботизированные системы часто требуют большего, чем точность позиционирования. Их модули суставов должны выдерживать высокие нагрузки, сохраняя надёжные характеристики движения в течение длительных периодов эксплуатации.

Для этих применений приоритетами разработки остаются высокий крутящий момент, высокая жёсткость, прецизионная передача и высокая надёжность.

HAG: интегрированный привод, безопасность и связь

HAG представляет другое направление к более высокоинтегрированному интеллектуальному суставу робота.

Интегрируя прецизионный редуктор, двигатель, энкодеры, электронику привода, интерфейсы связи и функции безопасности в компактную архитектуру сустава, мы можем снизить сложность системной интеграции и упростить интеграцию сустава в полные роботизированные платформы.

Эта архитектура особенно актуальна для гуманоидных роботов, коллаборативных роботов, мобильных роботов и других применений, в которых важны пространство, проводка, системная интеграция и распределённое управление.

TCHL: суставы роботов для управления усилием и динамического взаимодействия

Для коллаборативных роботов, гуманоидных роботов и роботизированных систем, требующих контролируемого физического взаимодействия, информация о крутящем моменте становится всё более важной.

Интегрированное измерение крутящего момента позволяет роботу понимать не только положение и движение своих суставов, но и усилия и крутящие моменты, связанные с этими движениями.

На мой взгляд, вопрос для будущего сустава робота больше не состоит просто в следующем:

Может ли этот сустав двигаться точно?

Он также состоит в следующем:

Может ли этот сустав точно понимать, что он испытывает во время движения?

Именно поэтому суставы роботов с измерением крутящего момента станут важной частью будущей технологической дорожной карты HONPINE.

Настоящая возможность — интеллект сустава

Если бы мне пришлось обобщить понимание HONPINE модулей суставов роботов следующего поколения, я бы не сосредотачивался на какой-либо отдельной аппаратной характеристике.

Концепция, которая, по моему мнению, заслуживает наибольшего внимания, — это интеллект сустава.

Интеллектуальный сустав робота должен обладать способностью контролировать собственное рабочее состояние и предоставлять полезную информацию контроллеру робота.

Например, он должен уметь выявлять аномальные температурные условия, распознавать необычные расхождения между обратной связью энкодеров со стороны двигателя и выходной стороны, обнаруживать аномальный крутящий момент, надлежащим образом реагировать на прерывания связи и при необходимости переходить в заранее определённое безопасное состояние.

По мере накопления эксплуатационных данных сустав также может поддерживать мониторинг технического состояния и раннее обнаружение неисправностей.

Другими словами, сустав должен развиваться от простого исполнения команд к более полной способности, включающей измерение, мониторинг, обратную связь, защиту и выполнение движения.

Именно здесь, как я считаю, интеллектуальные исполнительные механизмы будут создавать значительную ценность для будущих роботизированных систем.

Что произойдёт с модулями суставов роботов в эпоху коллаборации нескольких роботов?

Вернёмся к вопросу, с которого мы начали.

Почему коллаборация нескольких роботов будет становиться всё более важной?

Потому что роботы постепенно эволюционируют от независимых машин к подключённым системам, способным обмениваться информацией, распределять задачи, координировать движение и коллективно реагировать на изменяющиеся условия.

В рамках этой системы программное обеспечение верхнего уровня отвечает за планирование задач, планирование маршрутов, распределение задач, координацию роботов и принятие решений на уровне системы.

Сустав робота отвечает за преобразование этих решений в точное, надёжное и безопасное физическое движение.

Это делает модуль сустава робота критически важным интерфейсом между интеллектом робота и его движением.

По мере развития роботизированных архитектур система верхнего уровня может становиться всё более интеллектуальной, тогда как суставу необходимо обеспечивать всё более точное измерение, связь, безопасность и выполнение движения.

Поэтому сустав становится важной частью интеллектуального уровня движения робота.

HONPINE не должна создавать только лучший редуктор

Это один из вопросов, которые я часто рассматриваю как основатель HONPINE.

Если мы определяем себя только как производителя редукторов, наши исследования и разработки естественным образом сосредоточиваются на эффективности передачи, точности, сроке службы, крутящем моменте, жёсткости, габаритах и массе.

Это фундаментальные технологии, и HONPINE продолжит инвестировать в них.

Однако, рассматривая более широкое развитие робототехники, я считаю, что наши амбиции должны простираться дальше.

Мы должны продолжать переход от прецизионных редукторов к исполнительным механизмам, от исполнительных механизмов к интегрированным модулям суставов роботов и от интегрированных модулей суставов к интеллектуальным узлам движения.

Это не просто вопрос добавления большего количества продуктов в наш портфель.

Это представляет изменение нашего понимания роли ключевых компонентов движения в робототехнике.

Прецизионный гармонический редуктор обеспечивает основу для точной передачи.

Интегрированный исполнительный механизм объединяет технологии передачи и двигателя.

Интеллектуальный сустав робота добавляет измерение, управление, связь и безопасность.

Вместе эти технологии могут сформировать критически важный уровень движения между интеллектом робота и его физическим взаимодействием с реальным миром.

Будущий робот может быть не просто одним роботом

Я считаю, что отрасль робототехники движется к значительному структурному изменению.

В прошлом мы в основном говорили о том, что может делать робот.

В будущем мы, возможно, будем всё чаще говорить о том, чего может достичь роботизированная система.

Раньше мы сосредотачивались на том, насколько способным может стать отдельный робот.

Следующий вопрос заключается в том, как несколько роботов могут работать вместе для выполнения задач, которые были бы сложны или невозможны для одной машины.

По мере перехода робототехники от отдельных машин к скоординированным системам и от интеллекта одного робота к интеллекту системы модули суставов роботов также должны развиваться.

Они не могут оставаться просто механическими «мышцами» робота.

Они должны стать интеллектуальными компонентами движения, способными воспринимать рабочие условия, выполнять точное движение, взаимодействовать с системой управления робота и способствовать общей безопасности и надёжности системы.

Именно в это направление, как я считаю, HONPINE должна продолжать инвестировать.

Наша цель — не просто производить лучший гармонический редуктор или более производительный сустав робота.

Мы хотим помочь создать интеллектуальный уровень движения для роботов будущего.

Именно так я вижу роль HONPINE на следующем этапе развития робототехники.

Обеспечиваем будущее интеллектуальной автоматизации.

— Аллен Ли

Основатель, HONPINE