Гуманоидные роботы завораживают, но безопасны ли они и практичны ли? Узнайте, почему специально разработанные конструкции превосходят гуманоидных роботов по надежности, устойчивости и соответствию требованиям реальной робототехники.
Гуманоидные роботы привлекли всеобщее внимание, чему способствовала идея замены человеческого труда машинами, имитирующими человеческую гибкость. Хотя эта концепция привлекательна, человеческий тип формы создает уникальные инженерные проблемы, особенно в отношении стабильности, надежности и безопасности.
Увлечение человекоподобными роботами началось в литературе и переросло в значительные инвестиции в реальном мире. Компании обещают роботов, которые выглядят и ведут себя как люди, способные выполнять разнообразные задачи. Но действительно ли человеческая форма представляет собой оптимальную конструкцию для робототехники? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны понять ее эволюционное происхождение и инженерные последствия.
Эволюционное происхождение
Человеческое тело — продукт эволюции, сформированный потребностями выживания. Его строение отражает ключевые особенности, которые позволили нашим предкам процветать. Глаза, направленные вперед, обеспечивают восприятие глубины, указывая на роль хищника; высокий центр тяжести обеспечивает энергоэффективное передвижение на большие расстояния; а ловкие руки оптимизированы для манипуляций и использования инструментов.
В совокупности эти черты идеально подходили для кочевого образа жизни охотников-собирателей.
Недостатки человеческой формы
Несмотря на впечатляющие размеры, человеческая форма накладывает некоторые ограничения:
- У этих животных низкая устойчивость и ловкость по сравнению с четвероногими. Попробуйте поймать непослушную собаку, и вы поймете, о чем я говорю.
- Непригодность для монотонной работы , приводящая к износу и травмам с течением времени, даже при впечатляющих способностях к регенерации и самовосстановлению, делает наши тела непригодными для работы с 9 до 5 на конвейере без ротации рабочих мест. Наши сложные кисти рук с множеством мелких суставов особенно подвержены травмам и износу.
- Проблемы сложности и надежности : человекоподобный робот с примерно 200 степенями свободы (DoF) не может сравниться по времени безотказной работы с промышленным манипулятором с 6 степенями свободы, поскольку чрезвычайная механическая сложность человекоподобных роботов означает, что даже высоконадежные отдельные компоненты не могут предотвратить коллективное снижение эксплуатационной надежности.
- Ограничения по досягаемости и форме: по сравнению со специально созданными машинами, люди и человекоподобные роботы ограничены своими размерами и формой. Например, они не предназначены для использования различных захватов или для адаптации к конкретным задачам.
Вопросы безопасности
ISO 13849-1 — это ключевой стандарт функциональной безопасности машин. Одна из его основных концепций — это уровень производительности (PL), который измеряет вероятность отказа функции, связанной с безопасностью. PL выражается по шкале от PL=a (наименьший) до PL=e (наибольший). По сути, PL определяет риск опасного отказа в час работы машины.
Для человекоподобных роботов устойчивость является критически важным фактором безопасности. Шагающие роботы зависят от динамической устойчивости, а это значит, что любое прерывание питания или неисправность сустава во время движения может привести к падению — серьезной угрозе безопасности.
Используя стандарт ISO 13849-1 совместно с методологиями оценки рисков ISO/TR 14121-2, мы можем определить требуемый уровень риска (PL) для функции, предотвращающей падение робота. Оценка учитывает три фактора:
- Тяжесть последствий: Падение робота весом более 30 кг может привести к травме. В контролируемых условиях (защитная обувь, отсутствие детей, отсутствие лестниц) тяжесть последствий может быть низкой. В других случаях ее следует считать высокой.
- Частота: Высокая, обусловлена тесным взаимодействием человека и робота.
- Избежать столкновения: Зачастую невозможно. Например, если робот отстанет от вас, избежать удара будет маловероятно.
На основании данного анализа:
- В контролируемых условиях с низкой степенью тяжести травм необходимо как минимум значение PL=c.
- В сложных условиях с высоким потенциальным риском осложнений требуется PL=e.
Для достижения PL=e необходимы резервирование, надежная конструкция, высококачественные компоненты и скрупулезное внимание к безопасности и надежности на всех этапах разработки и производства. Даже достижение PL=c — задача далеко не тривиальная.
Реальность отрасли
Современные методы работы в индустрии человекоподобных роботов вызывают тревогу. Немногие человекоподобные роботы, если вообще таковые имеются, могут похвастаться заслуживающими доверия показателями устойчивости и надежности, а в интернете полно видеороликов, на которых человекоподобные роботы эффектно падают. Недавние случаи вызывают серьезные вопросы о том, насколько высоко компании, разрабатывающие человекоподобных роботов, ставят безопасность на первое место.
Одним из наиболее интригующих аспектов человекоподобной робототехники является нормативно-правовая база и требования соответствия. В мире промышленных манипуляторов, включая современные легкие и удобные в использовании роботы (коботы), существует хорошо разработанная система стандартов безопасности. В частности, стандарты ISO 10218-1 и ISO/TS 15066 определяют требования к манипуляторам роботов и содержат рекомендации по допустимым пределам силы и давления при ударах с участием промышленных роботов.
Однако эти стандарты редко применяются к человекоподобным роботам и охватывают лишь часть областей их применения, поскольку ISO 10218-1 не рассматривает риски, связанные с мобильностью робота. Существующие стандарты все еще находятся в стадии разработки и продолжают совершенствоваться, например, ISO/WD 25785-1, который касается рисков, связанных с потерей устойчивости в динамически стабильных промышленных роботах, включая человекоподобных роботов, используемых в промышленных целях. Для применений за пределами традиционных промышленных условий регулирование еще более ограничено.
Это поднимает важный вопрос: какой уровень безопасности следует требовать от человекоподобных роботов, работающих в непосредственной близости от людей в общественных местах? Сегодня перспективы человекоподобных роботов, похоже, основаны на принятии значительно более низкого уровня безопасности по сравнению с тем, что требуется от робота-манипулятора на заводе, который часто работает за защитным ограждением. Действительно ли мы готовы принять этот риск? Как и в случае с нашим подходом к беспилотным автомобилям, важно вести открытый общественный диалог о человекоподобных роботах и безопасности.
Заключение
Ключевой вопрос заключается в том, будем ли мы продолжать разработку человекоподобных роботов — путь, который, на мой взгляд, рискует создать сложные, ненадежные и потенциально небезопасные системы. В качестве альтернативы мы можем остаться на проверенном пути проектирования роботов и решений для домашней автоматизации, где форм-фактор специально разработан для выполнения конкретной задачи. Такой подход обеспечивает специализированные, экономически эффективные, безопасные и надежные решения.
Примеры этой стратегии повсюду вокруг нас: пылесосы, стиральные машины, посудомоечные машины в домах, а также автономные мобильные роботы (AMR), промышленные манипуляторы, роботы SCARA и дельта-роботы в промышленности. Эти решения демонстрируют, что специализация, а не имитация человеческой формы, приводит к надежной, безопасной и масштабируемой автоматизации.