Wiodące laboratoria naukowe na świecie wkładają ogrom pracy w opracowanie technologii, które wprowadzą roboty do naszego życia. Bez względu na scenariusze branży filmowej, w której roboty lada chwila stają się integralną częścią naszej rzeczywistości, przemysł dzielą od tego zdarzenia dziesięciolecia.

Podczas gdy część ludzkości ekscytuje się na myśl o przyszłości z robotami humanoidalnymi, zespół profesjonalistów z SoftServe tworzy roboty, które ułatwiają codzienne życie ludziom tu i teraz. Czytaj dalej, jeśli interesują Cię nowoczesne roboty i zastanawiasz się, dlaczego są niezbędne; jeśli chcesz wiedzieć w jaki sposób można nauczyć drony gasić pożary lub budować domy oraz dlaczego SoftServe wchodzi w przestrzeń kosmiczną i co słychać w robotyce.

Upewnij się, że to robot

Zapotrzebowanie na roboty rośnie każdego roku. Według danych International Federation of Robotics (IFR) w roku 2021 sprzedano o 27% więcej robotów niż w roku poprzednim. W sumie wyprodukowano 468,800 robotów na całym świecie, a więc 2021 był czasem największego sukcesu w robotyce.

Ale... czym tak naprawdę jest robot? Po wygooglowaniu tego słowa ukażą się grafiki przedstawiające coś antropomorficznego, z rękami, nogami i często imitacją ludzkiej twarzy. Według definicji w ISO 8373:2012 - robot jest mechanizmem zaprogramowanym w dwóch lub więcej osiach, ma pewien stopień autonomii i porusza się w środowisku wykonując powierzone zadania. Tak, większość z nas w głowie ma teraz obraz tańczących robotów z Boston Dynamics, ale tak naprawdę ich lista jest dłuższa.

/uploads/stories/robots-around-us-dot-softserve-engineers-on-robot-creation-space-and-the-study-of-robotics/robotics2.jpg?1663849935299

Vasyl Rybak, Robotics Engineer

W Polsce, robotyka rozwija się coraz szybciej. Ostatnio mogliśmy usłyszeć o amunicji krążącej WARMATE i bezzałogowym systemie powietrznym FLYEYE z WB Electronics. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP w gamie swoich produktów oferuje między innymi linię robotów mobilnych do zastosowań specjalnych, w tym operacji C-IED, rozpoznania i zdalnej obserwacji, ochrony granic i infrastruktury, poszukiwania i ratownictwa, analizy i wykrywania zagrożeń CBRN. Obok robotyki, również przemysł kosmiczny rozwija się prężnie w Polsce. Duży wpływ miało na to powołanie Polskiej Agencji Kosmicznej (POLSA), która skupia wokół siebie spółki takie jak Astronika, CBK, CIM-mes Projekt i PIAP Space. Ciekawych rozwiązań dla robotyki dostarcza wiele mniejszych spółek, wśród nich znajdziemy: Unitem Mower, Emys, Clone i Vissavi.tech.

Od szklarni po Marsa: gdzie robotyka jest potrzebna?

Rozwiązania z dziedziny robotyki znajdują często zastosowania w zadaniach potocznie nazywanych DDD — dull, dirty and dangerous (z ang. nudy, nieczystości i niebezpieczeństwa). Oznacza to tyle, że roboty dobrze sprawdzają się w miejscach, gdzie praca staje się nudna, uciążliwa i/lub niebezpieczna. Takie warunki w mniejszym lub większym stopniu dotyczą wszelkiego typu gałęzi przemysłu. Robotics Group pracuje w rolnictwie, produkcji, przemyśle naftowym i gazowym, opiece zdrowotnej, handlu detalicznym i innych. Poniższe przykłady przybliżają szerokie zastosowanie robotów.

● Rolnictwo – rolnicy wykorzystują roboty do obsiewania pół, usuwania chwastów i zbierania plonów. Współczesne roboty mogą pracować zarówno wewnątrz jak i na zewnatrz budynków, są zdolne do monitorowania hektarów plonów, skupiając się przy tym na każdej roślinie z osobna.

● Opieka medyczna – roboty wspomagają wyjątkowo złożone zabiegi chirurgiczne oraz ułatwiają rehabilitację pacjentów.

● Branża motoryzacyjna – roboty usprawniają montaż pojazdów, a także weryfikują jakość montażu gotowych samochodów lub ich podzespołów.

● Sektor energetyczny – roboty wykorzystuje się podczas inspekcji wiatraków, czyszczenia paneli i ogólnego przeglądu sprzętu.

● Logistyka – roboty są często wykorzystywane w magazynach do przemieszczania oraz pakowania towarów, przyspieszają one dostawę, a także obniżają liczbę pomyłek, których mogliby się dopuścić ludzie.

● Finanse – w sektorze bankowym roboty coraz częściej wspomagają obsługę klienta, w szczególności przy ograniczonej liczbie personelu.

● Produkcja – manipulatory robotyczne pojawiły się na liniach produkcyjnych już w 1959r, dziś roboty potrafią wykonywać wiele zadań począwszy od nadzorowania po przenoszenie ładunków.

● Przestrzeń kosmiczna – roboty znajdują zastosowanie również poza planetą Ziemia. Jak wcześniej wspomniano, w Polsce działa kilka firm w branży kosmicznej. Podobnie na Ukrainie, w przemyśle kosmicznym, działa kilka ważnych firm do których zaliczyć można: krajowe biuro „Południowe”, PA Pivdenmash, Spacebit, SpaceVR oraz amerykańsko-ukraińską firmę FireFly Aerospace. SoftServe również planuje rozwijać technologie kosmiczne, dlatego uruchamia podgrupę ds. przestrzeni kosmicznej w grupie robotycznej. Podgruapa będzie aktywnie brała udział w pracach badawczo-rozwojowych dotyczących operowania satelitami na orbicie okołoziemskiej i marsjańskiej, budowy i sterownia pojazdami księżycowymi oraz konstruowania robotów wykonujących zadania na asteroidach. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, dołącz do wydarzenia online 29 września.

Poza wymienionymi gałęziami przemysłu roboty wykorzystuje się również do nauki języków obcych, rozrywki, kinematografii, a ostatnio coraz częściej znajdują zastosowanie w wojsku, policji i straży pożarnej. Za przykład może posłużyć konkurs MBZIRC 2020, który pokazał nowe, nietypowe sposoby wykorzystania robotów w naszym życiu. SoftServe reprezentowany był przez Robotics Team, gdzie współpracował z partnerami z Politechniki Czeskiej w Pradze.

Jak powstają roboty

Obecnie roboty, tak jak inne urządzenia, praktycznie w całości są opracowane i tworzone przez inżynierów. Na przestrzeni lat wypracowano zestaw najlepszych praktyk, które wspomagają inżynierów podczas ich pracy. Proces projektowy zazwyczaj rozpoczyna się etapem poznawania (z ang. discovery), który może obejmować warsztaty tzw. design thinking i analizę wymagań projektowych. Wszystkie wnioski z tego etapu zbierane są w dokumencie zwanym architecture vision, który przedstawia ogólne spojrzenie na dany problem oraz zawiera opis tego, w jaki sposób proponowane rozwiązanie zrealizuje postawione wymagania i pozwoli osiągnąć oczekiwane efekty. Z takim dokumentem kierownik projektu może zacząć tworzyć zespół, definiować zadania niezbędne do osiągniecia celu (WBS), określać ramy czasowe projektu, a inżynierowie skupić nad problemami z ich obszaru zainteresowań.

Co w takim razie odróżnia roboty od innych urządzeń technicznych i co sprawia, że akurat ten proces tworzenia jest taki wyjątkowy? Aby odpowiedzieć na to pytanie należy zrozumieć czym z perspektywy inżyniera jest system robotyczny i jakie technologie mogą być niezbędne do zbudowania tego systemu. Roboty są z natury systemami mechatronicznymi, które łączą w sobie zaawansowaną mechanikę (kształty, materiały, struktury kinematyczne, przekładnie), najnowocześniejszą elektronikę (czujniki, siłowniki, zarządzanie i dystrybucję energii, komputery, regulatory, interfejsy użytkownika) oraz pakiety oprogramowania (FW, sterowanie, estymacja stanu, bezpieczeństwo, planowanie ruchu, nawigacja, planowanie zadań i sztuczna inteligencja). Standardowo roboty są rozproszonymi systemami wbudowanymi, które działają współbieżnie, intensywnie wymieniają duże ilości danych i częściowo pracują w reżimie czasu rzeczywistego. Ponadto, system robotyczny musi być bezpieczny, niezawodny i odporny na błędy, aby mógł działać autonomicznie w środowisku ludzkim. To właśnie połączenie tych cech i wymagań nadaje wyjątkowości systemowi robotycznemu — łączy on wiele dziedzin wiedzy, określa powiązania między nimi, wykorzystuje najnowsze technologie i często wykracza poza ich ramy.

W trakcie pracy, inżynierowie zazwyczaj intensywnie wykorzystują różne platformy symulacyjne, narzędzia programowo-sprzętowe i biblioteki programistyczne. Symulacja obniża całkowite koszty prototypowania oraz czas wdrożenia, umożliwiając testowanie i weryfikację nowych pomysłów w symulowanym środowisku wirtualnym, a nie na rzeczywistym sprzęcie. Obecnie stało się to jeszcze ważniejsze po przerwaniu łańcucha dostaw i trudnościach z zakupem materiałów potrzebnych do prototypowania sprzętu. Wśród symulatorów, z którymi pracujemy, można wyróżnić Gazebo i NVidia Isaac Sim, choć używamy również CoppiliaSim (ex. V-Rep), monoDrive, Carla i innych. Gdy konieczne jest precyzyjne modelowanie procesów fizycznych wtedy sięgamy po programy takie jak Matlab czy Modellica, ale to już zupełnie inna historia.

/uploads/stories/robots-around-us-dot-softserve-engineers-on-robot-creation-space-and-the-study-of-robotics/robotics1.jpg?1663849820079

Mykola Fedorychak, Robotics Engineer

Frameworki pomagają przyspieszyć proces projektowania, obniżając nakłady na rozwój i związane z nim ryzyka. Ponadto, często definiują one standardy i najlepsze praktyki dla zespołu inżynierów i pomagają uniknąć wymyślania koła na nowo. Warto wspomnieć o ROS, ROS2 i OROCOS, MoveIt Nav Stack, OpenCV i PCL.

Nie zapominamy również o fazie testów. Ich czas przychodzi, gdy sprzęt jest już dostępny, zmontowany w całości lub części. Właśnie wtedy można zweryfikować wyniki symulacji i w razie konieczności dostosować algorytmy i ich parametry, tak aby zniwelować różnice pomiędzy symulacjami, a obserwowanymi zachowaniami rzeczywistego systemu robotycznego. Łatwo wyrazić to słowami, ale realnie jest to jeden z najtrudniejszych etapów – testy należy przeprowadzić w środowiskach, w których występują losowe zakłócenia i szumy, i których nie można tak po prostu wyłączyć. Tym samym trudne staje się, a czasami jest to wręcz niemożliwe, przeprowadzenie za każdym razem testów systemu w tych samych warunkach środowiskowych.

Kolejne kroki są typowe dla każdego projektu: integracja i testowanie systemu oraz wdrożenie u klienta. W tym punkcie należy wziąć pod uwagę specyfikę legislacyjną krajów, w których pracują klienci, a także możliwą certyfikację rozwiązania lub jego części.

Jak stać się częścią przemysłu robotycznego?

Projekty z zakresu robotyki zawsze wiążą się z pracą w zespole. Potrzebni są mechatronicy, programiści, specjaliści od sztucznej inteligencji i percepcji robotów, a także projektanci, osoby zajmujące się manipulacją, chwytaniem nawigacją, planowaniem zadań i inni w zależności od wymagań i złożoności danego projektu robotycznego.

Polska przyjęła zachodnie standardy w kształceniu, głównie po wejściu do UE. Prawie każda uczelnia techniczna w Polsce ma przynajmniej jedną jednostkę zajmującą się automatyką i robotyką, zlokalizowaną na wydziałach uczelni. Uczelnie mogą nadawać stopnie doktorskie w dziedzinie automatyki i robotyki. Polacy mogą ubiegać się o fundusze unijne i korzystać z inicjatyw lokalnych związanych z robotyką. Robotyka jest obecnie w czołówce najważniejszych tematów badawczych.

Firmy technologiczne zajmujące się robotyką potrzebują wykwalifikowanych specjalistów, pomagają więc uniwersytetom rozwijać ten kierunek. Jakiś czas temu SoftServe otworzył laboratorium robotyki na Lwowskim Uniwersytecie Narodowym im. Iwana Franki, gdzie firma umieściła roboty mobilne i inny sprzęt, współpracowała ze studentami i dzieliła się wiedzą ze wykładowcami, którzy obecnie prowadzą zajęcia w laboratorium. Współpracujemy również z Politechniką Lwowską i Ukraińskim Uniwersytetem Katolickim.

Jednak droga, którą trzeba przejść, by zaangażować się w robotykę nie jest łatwa. Nie istnieje trzymiesięczny kurs, po którym można zostać inżynierem robotyki.

Dlaczego w najbliższym czasie roboty nie zastąpią ludzi

Chociaż robotyka jest obecnie w centrum uwagi, notuje postępy i tylko zyskuje na popularności, nadal jesteśmy daleko od tego, co możemy zobaczyć w filmach SF.

Ramiona robotów nadal są ciężkie, sztywne i zazwyczaj dedykowana określonym zadaniom. Brak im zwinności oraz finezji ludzkich odpowiedników. Pośród wielu problemów wymienić można materiał, z którego wykonane są współczesne manipulatory i chwytaki. Dla przykładu, brak jest odpowiednika ludzkiej skóry, która stanowi warstwę ochronną oraz dostarcza bogatą informację sensoryczną, co więcej regeneruje się przez całe życie. Niestety nie jesteśmy jeszcze w stanie odtworzyć tego efektu w skali przemysłowej. Sprzęt nie jest jednak jedynym problemem. Równie łatwo jest człowiekowi podnieść metalową nakrętkę, karton mleka, bochenek chleba, okulary przeciwsłoneczne czy bezę. Dla robota manipulowanie tak różnymi obiektami jest wyzwaniem. Musi on nie tylko zidentyfikować obiekt, który ma podnieść, ale także przeanalizować optymalną trajektorię dotarcia do obiektu, wyznaczyć najlepszy sposób podniesienia go i utrzymania bez jego uszkodzenia. Obecnie tego typu problemy rozwiązuje się stosując manipulatory bądź chwytaki o różnych charakterystykach, coraz popularniejsze stają się tzw. Coboty, mamy nadzieję, że postęp naukowy wkrótce pozwoli ten problem w całości rozwiązać.

Kolejnym wyzwaniem jest zdolność robota do rozumienia swojego otoczenia. Na przykład widząc szczoteczkę do zębów w mieszkaniu, robot powinien założyć, że najpewniej znajduje się w łazience, ale jeśli na stole leży karton mleka, to prawdopodobnie jest to kuchnia. Takie czynności są oczywiste dla ludzi, ale wciąż trudne dla robotów. Generalnie uważa się, że roboty z łatwością radzą sobie z zadaniami, które może wykonać osoba z solidnym wykształceniem wyższym, ale już szczytem nie do zdobycia jest dla nich poradzenie sobie z zadaniami, z którymi bez problemu radzi sobie dziecko. Na razie roboty, które potrafią biegać, skakać, czołgać się, jeździć na rowerze czy hulajnodze żyją tylko w marzeniach konstruktorów.

Jeszcze więcej wyzwań czeka na roboty w kosmosie, ponieważ nie ma tam ludzi, którzy mogliby wspomóc je w trudnej sytuacji. Roboty muszą być w stanie samodzielnie badać orbity różnych planet, poszukiwać wody i minerałów lub pobierać próbki skał. Zaczął się już kosmiczny wyścig w tym o prymat w zdobyciu Księżyca. W związku z tym życzę nam wszystkim interesującego show, a niektórym nawet wzięcia udziału w tej niezwykłej podroży!