Мобильный робототехнический комплекс

Мобильный робототехнический комплекс (или мобильный робот, англ. mobile robot) — автоматическая машина, способная к передвижению (локомоции)[1]. Мобильная робототехника обычно рассматривается как подраздел робототехники и информационной инженерии[2].

Мобильные робототехнические комплексы способны перемещаться в среде и не закреплены в одной физической точке. Они могут быть автономными (AMR, autonomous mobile robot), то есть способны перемещаться и ориентироваться в неконтролируемой среде без использования физических или электромеханических направляющих устройств[3]. Альтернативно, мобильные роботы могут использовать системы навигационного наведения, позволяющие им следовать заранее определённым маршрутам в достаточно контролируемых зонах[4]. В отличие от них, промышленные роботы обычно почти стационарны, состоят из суставной руки (многозвенного манипулятора) и захвата (или концевого эффектора), прикреплённого к фиксированной поверхности.

Мобильные роботы широко применяются в коммерческих и производственных сферах. В больницах автономные мобильные роботы используются для транспортировки материалов уже много лет. Склады используют мобильные робототехнические системы для перемещения товаров с полок в зоны комплектации заказов. Мобильные роботы являются одним из приоритетных направлений современных исследований: практически в каждом крупном университете есть лаборатории, занимающиеся их разработкой[5]. Мобильные роботы также применяются в промышленности, армии и в целях безопасности.

Основные компоненты мобильного робота — контроллер, сенсоры (датчики), приводы и система электропитания[3]. Контроллером обычно служит микропроцессор, встроенный микроконтроллер или персональный компьютер. Выбор сенсоров определяется задачами робота: это могут быть системы одометрии, тактильные датчики, датчики приближения, дальномеры, средства обхода препятствий, позиционирования и др[6]. Приводы обычно реализуются электродвигателями, приводящими в движение колёса или "ноги". Для питания мобильного робота, как правило, используется батарея постоянного тока.

Классификация

Мобильные роботы могут классифицироваться по следующим признакам:

  • По среде передвижения:
    • Наземные (домашние) роботы обычно обозначаются как UGV, имеют колёсное или гусеничное шасси, но также могут быть и шаговыми (гуманоиды или роботы, имитирующие животных или насекомых).
    • Роботы-доставщики и транспортные роботы перемещают грузы по рабочему пространству.
    • Летательные роботы обычно называют БПЛА, UAV.
    • Подводные роботы — это AUV.
    • Полярные роботы — предназначены для передвижения по льду и через ледяные трещины.
  • По типу движителя:
    • Шагающий робот: ноги, имитирующие человеческие (андроиды) или животные конечности.
    • Колёсный робот.
    • Гусеничные движители[7][8].

Навигация мобильных роботов

Существует множество способов навигации мобильных роботов:

Ручное дистанционное или телеуправление

Полностью управляемые оператором роботы (телеуправляемые) находятся под контролем пилота с помощью джойстика или иного пульта. Управление может быть проводным или беспроводным, либо обращаться к компьютеру или другому управляющему устройству. Телеуправляемые роботы часто применяются для защиты оператора от опасных воздействий. Примеры: ANATROLLER ARI-100 и ARI-50 от Robotics Design, Talon компании Foster-Miller, PackBot компании iRobot, MK-705 Roosterbot от KumoTek.

Защищённое телеуправление

Роботы защищённого типа способны обнаруживать и избегать препятствия, но в остальном следуют указаниям оператора. Чистое защищённое телеуправление используется редко. (См. также раздел "Скользящая автономия" ниже.)

Линиепоисковый робот

Одними из первых автоматических транспортных средств (AGV) были мобильные роботы, следящие за линией. Они двигались вдоль визуальной линии на полу или потолке либо по электрическому проводу, вделанному в пол. Как правило, эти роботы просто удерживают линию в центре датчика. Объезжать препятствия они не могут — если путь перекрыт, останавливаются. Такие системы выпускаются фирмами Transbotics, FMC, Egemin, HK Systems и др., а также активно используются в робототехнических кружках для обучения основам робототехники.

Автономный робот с рандомизированным маршрутом

Автономные роботы с хаотичной траекторией перемещаются, простукивая препятствия и изменяя направление при обнаружении стен.

Автоматически направляемый робот (AGR)

undefined

Автоматически направляемый робот обладает сведениями о собственном местоположении и способен определять путь до целей или промежуточных точек. Локализация, или знание текущих координат, обеспечивается за счёт сенсоров (энкодеры моторов, зрение, стереоскопия, лазеры, системы спутникового позиционирования и др.).

Системы позиционирования применяют методы триангуляции, относительного положения или локализации Монте-Карло/Маркова для определения положения и ориентации платформы, после чего производится планирование движения к следующей цели. Система может собирать сенсорные данные с привязкой ко времени и координатам. Чаще всего такие роботы входят в состав корпоративных беспроводных систем, интегрированы с прочими сенсорными и управляющими решениями здания. Примером служит охранный робот PatrolBot, реагирующий на тревоги, взаимодействующий с лифтами, уведомляющий диспетчер о происшествиях. К этой категории относятся также SpeciMinder и доставочные роботы TUG для больниц.

Автономный мобильный робот (AMR)

Скользящая автономия

Скользящая автономия предполагает сочетание нескольких уровней управления одним роботом. Большинство таких аппаратов (например, больничный робот HelpMate) имеют ручной режим, позволяющий управлять ими оператору. ПО Motivity, используемое в ADAM, PatrolBot, SpeciMinder, MapperBot и ряде других моделей, реализует полный спектр скользящей автономии: от ручного до полностью автономного.

История

Дата Развитие
1939–1945 В годы Второй мировой войны появляются первые мобильные роботы как результат технического прогресса в новых областях, таких как информатика и кибернетика. В большинстве своём это были управляемые бомбы, в том числе применялась система дистанционного наведения и радиолокационного управления. Ракеты Фау-1 и Фау-2 имели примитивный автопилот и систему детонации. Эти разработки стали предшественниками современных крылатых ракет.
1948–1949 У. Грей Уолтер создает Элмера и Элси — автономных роботов, называемых Machina Speculatrix, склонных исследовать окружающее пространство. Каждый из них имел светочувствительный датчик и реагировал на источник света, обходя препятствия. Эти машины доказали, что сложное поведение может возникать из простой схемы управления: у Элмера и Элси было только два «нейрона» — эквивалента нервных клеток[10].
1961–1963 В Университете Джонса Хопкинса создают робота Beast, использовавшего сонар для перемещения. При разрядке аккумуляторов зверёк искал розетку и сам подключался к ней.
1969 Mowbot — первый автономный робот-косилка[11].
1970 Лаборатория Стэнфордского университета создает тележку-робота Stanford Cart, способного следовать по белой линии, используя видеокамеру и радиообмен с мэйнфреймом для вычислений[12]. Примерно тогда же (1966–1972) в Стэнфордском исследовательском институте разрабатывается робот Shakey, получивший имя из-за характерных движений. Он был оснащён камерой, дальномером, контактными датчиками и радиоканалом, первым приобрёл способность логического планирования действий: мог принимать общие задачи и самостоятельно выполнять все необходимые шаги по их достижению. Советский Союз отправляет Луноход-1 для исследования поверхности Луны.
1976 В ходе программы Viking NASA отправляет к Марсу два беспилотных аппарата.
1980 Массовый интерес к робототехнике приводит к появлению домашних развлекательных и обучающих роботов: RB5X, HERO, а также усовершенствованный Stanford Cart умеет проходить препятствия и строить карты окружающей среды.
Начало 1980-х Команда Эрнста Дикманса (Университет бундесвера, Мюнхен) создаёт первые робот-мобили, движущиеся по дорогам со скоростью до 90 км/ч.
1983 Стево Бозиновски и Михайло Шестаков впервые осуществляют параллельное управление мобильным роботом с помощью мультизадачной системы IBM Series/1[13].
1986 Стево Бозиновски и Гьорги Груевски управляют колесным роботом с помощью голосовых команд (при поддержке Македонской ассоциации научной деятельности)[14].
1987 Hughes Research Laboratories впервые демонстрирует автономное преодоление пересечённой местности роботом с построением карты среды и использованием сенсоров[15].
1988 Стево Бозиновски, Михайл Шестаков и Лиляна Бозиновска осуществляют управление мобильным роботом с помощью ЭЭГ-ритмов[16][17].
1989 Группа Стево Бозиновски впервые управляет мобильным роботом по сигналам ЭОГ[17].
1989 Марк Тилден изобретает BEAM-роботику.
1990-е Джозеф Энгельбергер (создатель промышленного манипулятора) разрабатывает вместе с коллегами первые коммерческие автономные больничные роботы (Helpmate). Министерство обороны США финансирует проект MDARS-I на базе охранного робота Cybermotion.
1991 Эдо Франци, Андре Гиньяр и Франческо Мондада создают Khepera — автономного лабораторного мобильного робота для исследований (лаборатория LAMI-EPFL).
1993–1994 Dante I[18] и Dante II[19] (разработка университета Карнеги — Меллона) применялись для обследования действующих вулканов.
1994 Роботизированные автомобили VaMP и VITA-2 (Daimler-Benz и Эрнст Дикманс, UniBwM) преодолевают тысячу километров по автомагистралям Парижа со скоростью до 130 км/ч с полной автономией: выполняют смену полос, объезд и обгон.
1995 Полуавтономный ALVINN ведёт автомобиль через всю страну (кроме 80 км из 4600 км). Газ и тормоза контролировались человеком.
1995 В том же году роботизированный автомобиль Эрнста Дикманса проезжает более 1 600 км из Мюнхена в Копенгаген и обратно, в большинстве случаев самостоятельно, при этом робот управлял не только рулём, но и газом/тормозами, включая активное видение для работы с дорожной обстановкой.
1995 Появляется программируемый мобильный робот Pioneer — доступный коммерческий образец, давший толчок исследованиям и университетскому обучению в области мобильной робототехники.
1996 Cyberclean Systems разрабатывает первый полностью автономный робот-пылесос: он сам заряжается, способен пользоваться лифтом и уборкой коридоров без вмешательства человека.
1996–1997 NASA выводит на поверхность Марса робота-ровер Sojourner (миссия Mars Pathfinder). Робот получает команды с Земли, оснащён системой предотвращения столкновений для безопасного перемещения по незнакомому ландшафту.
1999 Sony выпускает робота-собаку Aibo, способную видеть, ходить и взаимодействовать с окружением; в армии появляется робот PackBot.
2001 Запускается проект Swarm-bots, разрабатывающий рои роботов, имитирующих социальное поведение насекомых, где множество простых машин взаимодействуют для решения коллективных задач[20].
2002 Появляется Roomba — бытовой автономный мобильный робот-пылесос.
2002 Невена Бозиновска, Гьорги Йованчевски и Стево Бозиновски проводят дистанционное управление мобильным роботом через Интернет между университетами в США и Европе[21].
2003 Axxon Robotics приобретает Intellibot — производителя автономных уборочных роботов для больниц, офисных и прочих зданий. Техника полностью автономна: использует карты, сенсоры для навигации и обхода препятствий.
2004 Появляется биоморфный игрушечный робот Robosapien (разработка Марка Тилдена). Проект Centibots задействует 100 автономных роботов для коллективного составления карты неизвестной среды и поиска объектов[22]. В первом соревновании DARPA Grand Challenge автономные транспортные средства соревнуются на пустынной трассе.
2005 Boston Dynamics создаёт четырёхногого робота BigDog для переноски тяжёлых грузов по пересечённой местности.
2006 Sony прекращает выпуск Aibo, останавливается производство HelpMate, но появляется более дешёвый мобильный PatrolBot, а рынок продолжает формуироваться. Министерство обороны США прекращает проект MDARS-I, но поддерживает полевую платформу MDARS-E. Выпущен первый коммерческий робот с интегрированным оружием TALON-Sword[23]. Honda Asimo учится бегать и подниматься по лестнице.
2007 На DARPA Urban Grand Challenge шесть машин самостоятельно преодолевают сложную трассу с другими автомобилями и препятствиями. Роботы Kiva Systems массово внедряются в логистике; автоматизированные ячейки складов сортируют содержимое по степени востребованности. Tug становится популярным для перемещения больших грузов по больницам, а Speci-Minder[24] с системой Motivity доставляет образцы крови из сестринских постов в лаборатории. Seekur — первый коммерческий невойсковой уличный сервис-робот — буксирует 3-тонную машину, управляется автономно как в помещении, так и на улице; PatrolBot учится следовать за человеком и обнаруживать приоткрытые двери.
2008 Boston Dynamics публикует видео нового поколения BigDog, способного ходить по льду и сохранять равновесие при толчках.
2010 Международный конкурс Multi Autonomous Ground-robotic International Challenge: автономные машины строят карту городской среды, определяют и отслеживают людей, избегая опасных объектов.
2016 Метод следования мобильного робота по пассивным RFID-меткам: доказана способность робота достигать цели с точностью, определяемой погрешностью датчиков расстояния, даже при неточных замерах расстояния и угла; возможен выбор маршрута из нескольких.
2016 Многофункциональный мобильный робот MARCbot впервые применяется полицией США для ликвидации снайпера, убившего пятерых полицейских в Далласе, штат Техас[25], что вызвало этические дискуссии об использовании дронов и роботов в качестве средств поражения. В соревнованиях NASA Sample Return Robot Centennial Challenge автономный вездеход Cataglyphis демонстрирует полностью автономную навигацию, принятие решений, поиск, отбор и доставку проб[26].
2017 В рамках ARGOS Challenge создаются роботы для работы в экстремальных условиях на объектах нефтегазовой промышленности[27].
2018 На выставке CES 2018 представлены роботы-ассистенты Aeolus Bot, обновлённая робособака Aibo и коммерческие роботы LG CLOi[28]. DARPA запускает конкурс Subterranean (SubT) Challenge для разработки систем навигации в подземных средах[29] и ANA Avatar XPRIZE для создания роботизированных аватаров[29].
2019 Компания Mobile Industrial Robots (MiR) представляет автономного мобильного робота MiR1000 грузоподъёмностью 1000 кг[30]. Boston Dynamics запускает программу раннего доступа (лизинг) для своего четвероногого робота Spot[31]. Agility Robotics в сотрудничестве с Ford представляет двуногого робота-курьера Digit, предназначенного для доставки «до двери»[32]. Boston Dynamics демонстрирует новые акробатические способности гуманоидного робота Atlas[32].
2020 В июне Boston Dynamics начинает коммерческие продажи робота Spot для компаний в США[33]. В декабре Яндекс запускает роботов-курьеров «Яндекс.Ровер» для доставки заказов на улицах Москвы и Иннополиса[34]. Пандемия COVID-19 значительно ускоряет внедрение автономных мобильных роботов (AMR) в складской логистике[35]. В конце года Hyundai Motor Group объявляет о приобретении Boston Dynamics.
2021 Наблюдается значительный рост рынка автономных мобильных роботов (AMR) и коллаборативных роботов (коботов), что обусловлено растущей потребностью в автоматизации[36][37]. Развитие ИИ и облачных технологий позволяет роботам выполнять более сложные задачи[38]. «Яндекс» начинает тестирование своего беспилотного такси в Москве. Активно формируется нормативно-правовая база для интеграции коммерческих дронов в общее воздушное пространство[39].
2022 Мировые поставки мобильных роботов (AGV и AMR) вырастают на 53%[40]. Kawasaki представляет робота Bex, способного передвигаться на четырёх ногах или катиться на колёсах. На Зимних Олимпийских играх в Пекине роботы используются для доставки еды и дезинфекции помещений. Появляется робот Ameca с реалистичной мимикой, позиционируемый как «лицо робототехники будущего».
2023 Отмечается бурный рост разработок в области человекоподобных роботов. На конференции ICRA 2023 в Лондоне представлен ряд гуманоидных моделей, а также робот «Тито», совмещающий колёсное и шагающее шасси[41]. Углубляется интеграция ИИ, что позволяет создавать обучаемые системы, способные осваивать задачи по демонстрации без прямого программирования[42].
2024 Год характеризуется «бумом» человекоподобных роботов, переходящих от прототипов к пилотному внедрению. В апреле Boston Dynamics представляет новую, полностью электрическую версию робота Atlas, предназначенную для промышленных задач[43]. Стартап FigureAI начинает пилотное внедрение своих роботов Figure 02 на заводе BMW[44], а роботы Digit компании Agility Robotics официально интегрируются в логистические операции GXO[45]. На Всемирной конференции роботов в Пекине демонстрируется 27 моделей гуманоидов[46].
2025 Человекоподобные роботы начинают коммерчески применяться на производстве и в логистике. Электрический Atlas от Boston Dynamics внедряется в реальные производственные условия[47]. Роботы Figure 02 проходят тестирование на заводах BMW, а Digit от Agility Robotics используется на складах[48]. Foxconn начинает внедрение человекоподобных роботов на своих производственных линиях[49]. Распространение получает бизнес-модель «Робот как услуга» (RaaS)[50].

Примечания

  1. Hu, J.; Bhowmick, P.; Lanzon, A., "Group Coordinated Control of Networked Mobile Robots with Applications to Object Transportation", IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2021.
  2. Information Engineering Main/Home Page (англ.). www.robots.ox.ac.uk. Дата обращения: 3 октября 2018.
  3. 1 2 Hu, J.; Bhowmick, P.; Jang, I.; Arvin, F.; Lanzon, A., "A Decentralized Cluster Formation Containment Framework for Multirobot Systems", IEEE Transactions on Robotics, 2021.
  4. Hu, J.; Turgut, A.; Lennox, B.; Arvin, F., "Robust Formation Coordination of Robot Swarms with Nonlinear Dynamics and Unknown Disturbances: Design and Experiments", IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2021.
  5. P. Moubarak, P. Ben-Tzvi, Adaptive Manipulation of a Hybrid Mechanism Mobile Robot, IEEE International Symposium on Robotic and Sensors Environments (ROSE), Montreal, Canada, 2011, pp. 113 - 118
  6. Gopalakrishnan, B.; Tirunellayi, S.; Todkar, R. (2014). “Design and development of an autonomous mobile smart vehicle: a mechatronics application”. Mechatronics. 14 (5): 491—514. DOI:10.1016/j.mechatronics.2003.10.003.
  7. Press release: New Invention Utilizes Empty Railroad Tracks for Shipment of Freight. Дата обращения: 9 апреля 2007. Архивировано 15 июля 2011 года.
  8. Linear track (PDF). Дата обращения: 9 апреля 2007. Архивировано 15 июля 2011 года.
  9. MT400 Build-a-Bot Autonomous Base. mobilerobots.com. Архивировано 23 февраля 2010 года.
  10. ias-people. Ias.uwe.ac.uk. Дата обращения: 15 августа 2012. Архивировано 9 октября 2008 года.
  11. The world's first truly automatic lawnmower
  12. Les Earnest. stanford.edu. Дата обращения: 13 апреля 2018. Архивировано 26 января 2013 года.
  13. S. Bozinovski, Parallel programming for mobile robot control: Agent based approach, IEEE International Conference on Distributed Computing Systems, 1994, с. 202–208, Познань
  14. Bozinovski, Stevo. Signal Processing Robotics Using Signals Generated by a Human Head: From Pioneering Works to EEG-Based Emulation of Digital Circuits // Advances in Robot Design and Intelligent Control. — 2017. — Vol. 540. — P. 449–462. — ISBN 978-3-319-49057-1. — doi:10.1007/978-3-319-49058-8_49.
  15. Proceedings of IEEE Robotics and Automation, 1988
  16. S. Bozinovski, M. Sestakov, L. Bozinovska: Using EEG alpha rhythm to control a mobile robot, In G. Harris, C. Walker (eds.) Proc. Annual Conference of IEEE Medical and Biological Society, с. 1515-1516, Новый Орлеан, 1988
  17. 1 2 S. Bozinovski: Mobile robot trajectory control: From fixed rails to direct bioelectric control, In O. Kaynak (ed.) Proc. IEEE Workshop on Intelligent Motion Control, с. 63-67, Стамбул, 1990
  18. Robotics Institute: Dante I. Ri.cmu.edu. Дата обращения: 15 августа 2012. Архивировано 9 марта 2007 года.
  19. Robotics Institute: Dante II. Ri.cmu.edu. Дата обращения: 15 августа 2012. Архивировано 15 мая 2008 года.
  20. Welcome to the Swarm-bots web site
  21. N. Bozinovska, Gj. Jovancevski, S. Bozinovski, Internet-based robot control, In Proceedings of the Third International Conference on Informatics and Information Technology, Bitola, Macedonia, 12–15 декабря 2002, с. 82–89
  22. Centibots Project Home Page. Ai.sri.com (4 октября 2004). Дата обращения: 15 августа 2012.
  23. Archived copy. foster-miller.com. Архивировано 6 декабря 2006 года.
  24. Speci-Minder
  25. Stacey, Olivia Dallas SWAT Used Robot Bomb to Kill Micah X. Johnson in 'First Lethal Use of Robot by Police'. heavy.com (8 июля 2016). Дата обращения: 13 апреля 2018.
  26. Hall, Loura NASA Awards $750K in Sample Return Robot Challenge (8 сентября 2016). Дата обращения: 21 сентября 2016.
  27. Enhanced Safety Thanks to the ARGOS Challenge. Total Website. Дата обращения: 13 мая 2017. Архивировано 16 января 2018 года.
  28. LG представляет еще трех роботов на выставке CES 2018. android-robot.com. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  29. 1 2 DARPA Subterranean (SubT) Challenge (pdf). sberlabs.com. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  30. Компания Mobile Industrial Robots презентовала нового мобильного робота MiR1000. prorobot.ru. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  31. Топ-10 новостей за 2019 год по мнению читателей нашего портала. robogeek.ru. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  32. 1 2 Что умеют роботы в 2019 году. vc.ru. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  33. Spot 2.0 — обновление ПО для робота от Boston Dynamics. Habr. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  34. «Яндекс» выпустил на улицы Москвы своих роботов-курьеров. CNews. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  35. 2020 is a watershed in the industry, and the development of AMR is on the fast track. tzbotagv.com. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  36. IFR: тренды робототехники 2021. ritm-magazine.com. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  37. Развитие мирового рынка автономных мобильных роботов в период с 2021 по 2028 гг. dsmedia.pro. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  38. Шесть тенденций развития промышленных роботов в 2021 году. ru.linear-rotary.com. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  39. Тренды в робототехнике — 2022. issek.hse.ru. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  40. Исследование показывает, что поставки мобильных роботов в 2022 году выросли на 53%. dsmedia.pro. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  41. Крупнейшая выставка роботов в Лондоне: роботы и технологии будущего на ICRA 2023. sofiot.ru. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  42. Пять главных тенденций робототехники 2023 года. kfork.ru. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  43. Boston Dynamics показала полностью электрического робота Atlas нового поколения. Habr (17 апреля 2024). Дата обращения: 3 ноября 2025.
  44. MODEX 2024: Locus Robotics unveils LocusHub business intelligence engine. robotics247.com. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  45. MiR's New Mobile Collaborative Robot to Drive Industrial Automation. foodlogistics.com. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  46. 2024 World Robot Conference opens in Beijing. app.com.pk. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  47. Новейшие открытия в робототехнике 2025: от физического AI до автономных роботов. yes-robotics.ru. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  48. Роботы среди нас: за этими андроидами стоит пристально наблюдать в 2025 году. techdigest.ru. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  49. Будущее уже наступило: производитель iPhone Foxconn внедрит человекоподобных роботов на свой завод в Техасе. ixbt.com. Дата обращения: 3 ноября 2025.
  50. Пять глобальных тенденций в робототехнике на 2025 год. er10.kz. Дата обращения: 3 ноября 2025.

Литература

  • Gopalakrishnan, B.; Tirunellayi, S.; Todkar, R. (2014). “Design and development of an autonomous mobile smart vehicle: a mechatronics application”. Mechatronics. 14 (5): 491—514. DOI:10.1016/j.mechatronics.2003.10.003.

Категории