🤖 Робот «Бабочка» — как сделать робота ловким 🤖

Еще пять лет назад у нас только местами знали конструктор Lego Mindstorms, а в этом году уже производится как минимум пять отечественных разработок для школьников на универсальных или своих платформах. Это конструкторы для юных робототехников Амперка, Роботрек, ScratchDuino, ТРИК и новинка для робототехников из выпускных классов физматшкол и студентов политехнических университетов – Робот «Бабочка» из Петербурга.
Робот «Бабочка» не похож на насекомое. Он выглядит подозрительно просто — на столе в прозрачном пластиковом «аквариуме» под прицелом видеокамеры и лампы по направляющим в форме «восьмерки» вращается и не падает рыжий шарик. Контур, который его поддерживает, по форме напоминает крылья бабочки. Именно поэтому задача, которую 18 лет назад поставил один из ведущих робототехников мира, так и была названа — задачей про «Робота Бабочку». Но за этой простотой и скрыто решение многих практических задач по управлению неполноприводными системами в робототехнике – а неполноприводными бывают не только автомобили, но и другие механические системы. И это «грозит» решением амбициозных задач от создания безлюдных производств – роботизированных фабрик будущего – и посадки космических кораблей в режиме автопилотирования наподобие корабля Элона Маска.
Решить задачу про «Робота Бабочку» и продемонстрировать реальную установку до прошлого года не мог никто в мире, несмотря на то, что это пыталось сделать несколько ведущих групп ученых и инженеров из Италии, США, Норвегии и Швеции.
❗ Кто более ловкий – человек или робот? ❗
Как оказалось, у роботов есть проблемы с точностью движений. Вы наверняка видели, как смешно падают шагающие роботы, которые в прошлом году на DARPA Robotics Challenge пытались открывать двери, подойдя к ним на своих двоих. Оказывается, проблема в том, что у этих роботов нет нужной чувствительности. То есть глаза есть, руки с пальцами есть, ходить могут, значит, у них есть зрение, осязание и чувство равновесия. Но человеку в точности они проигрывают. На видео очевидно, что даже если такой робот смог повернуть дверную ручку, удержаться на ногах ему крайне тяжело. У человека слегка дрожат руки, движения неточные, но он открывает двери и не падает.
Человек может перекатывать по телу гирю – вспомните знаменитых силачей – или прозрачный шар диаметром 10-15 сантиметров, не роняя его, но не подбрасывая. Это называется «контактным жонглированием».
Но человек уже не может жонглировать маленьким шариком для пинг-понга – не хватает точности движений, тут нужна точность движений не в миллиметр-два, а в десятые доли миллиметра. Выходит, нашему роботу «Бабочка» нужно было научиться двигаться точнее, чем даже человеку. Реально ли это? Оказалось, что да.
❗ Есть ли решение? ❗
Ученые из Петербурга, которые давно работают с промышленной робототехникой, примерно пять лет назад впервые подобрались к решению этой задачи, когда они разработали новые математические методы. Эти методы позволяют сделать движения роботов гораздо точнее, чем даже у человека. Новая «математика» учитывает обратную связь от «органов чувств» робота – от компьютерного зрения через видеокамеры или компьютерного «осязания» через специальные датчики давления.
Как же обучить жонглированию робота? Робот «Бабочка» за счет видеокамеры следит за положением шарика и уточняет 170 раз в секунду при помощи уникальных алгоритмов скорость вращения электромотора. Человек же видит 25 кадров в секунду и двигает рукой за пару десятых секунды. Поэтому робот и получается «выше на голову» человека – он точнее в десять раз.
А ведь та самая «математика», которая работает внутри «Робота Бабочка», годится и для управления движением промышленных роботов, у которых точность движений сейчас как у человека. У современного промышленного робота в среднем погрешность движений 0,5-2 миллиметра, а нужно – в десять раз точнее! Не правда ли, похоже на проигрыш человека в точности движений при «жонглировании» шариком?
❗ Для чего же это нужно старшеклассникам? ❗
Сейчас есть проблема в востребованности умений и навыков, которые прививаются в кружках робототехники. В старших классах, в основном, собирают из конструкторов ходящих и ездящих роботов, начинают работать с готовыми беспилотниками и с автоматически движущимися подлодками. Но нужны ли эти умения в университетах и на промышленных предприятиях России? Оказывается, нужны немного другие.
Так вот, в России прямо сейчас очень не хватает специалистов, способных не собирать конструкторы, а работать с реальными компонентами реальных роботов. 600 специалистов по специальности «робототехника» выпускается в России, а сразу 300 специалистов в будущем году понадобится Объединенной Авиастроительной Корпорации, разработчику SuperJet КБ «Сухого», как заявил их представитель на ММСО… Где взять остальных на отличные зарплаты и перспективные проекты? Растить на задачах реальной промышленности.
То есть юным робототехникам, чтобы получить работу будущего через 5-7 лет, нужно уже сейчас программировать скорее, не конструктор или робот-пылесос, а ходить в кружок при промышленном предприятии. И учиться там – работать, к примеру, с большими робототехническими «руками»-манипуляторами или с медицинскими роботами, на лабораторном оборудовании.
Тренироваться, к примеру, с «Роботом Бабочкой», внутри которого стоит высокоточный двигатель – такой же, как стоит внутри робота-хирурга Da Vinci. Этот двигатель способен делать до 5 тысяч оборотов в минуту! Технологии компьютерного зрения, которые придется использовать на предприятии, с «Бабочкой» освоить можно поэтапно, а потом перенести эти умения на робототехнические «руки» на предприятии. Специально для этого у «Робота Бабочка» есть целый цикл лабораторных работ в 3 частях – «Компьютерное зрение», «Технологии автоматического управления движением» и «Робототехника».
❗ Куда идти учиться ❗
Пока «Робот Бабочка» в России – редкость, т.к. он собирается под заказ. По одному экземпляру находится в Томском и в Санкт-Петербургском Политехнических Университетах, еще 3 будут собраны в мае в лаборатории Robotikum по заказам иностранного и российских университетов.
Эта история – совершенно свежая, т.к. только в конце осени 2015-го лабораторная установка была испытана в Петербургском Политехе, получив заключение профильной кафедры «Механика и процессы управления» об оригинальности, наглядности, безопасности в использовании. И уже в феврале 2016-го ТПУ закупил «Робота Бабочку» для включения в учебный процесс направления «Мехатроника и робототехника» с нового учебного года. В СПбПУ это направление «Прикладная механика», в авиационных и классических университетах – «Системы управления движением».
Старшеклассникам-робототехникам ведь предстоит становиться студентами. Там им нужно учиться решать задачи промышленности на компонентах реальных промышленных роботов, и «Робот Бабочка» поможет в этом, оказавшись в ведущих робототехнических лабораториях университетов России – например, университетов-участников программы 5-в-100, крайне заинтересованных в сотрудничестве с промышленными предприятиями, лидерами своих отраслей. И в будущие годы выпуск робототехников в России будет уже измеряться тысячами в год.