О робототехнике

Введение

Что же такое робототехника и кто такие робототехники?

В этом материале мы не будем (хотя могли бы) разбирать термин «робототехника» и приводить многообразие существующих определений для него, как сделали в статье «Что такое робот?»[1]. Этого добра достаточно и в учебниках, и в сети. Дело не в определениях. Но пусть какое-то будет. Например, вот это:

робототехника (robotics): Наука и практика проектирования, производства и применения роботов.[2]

Задачи же нашего сайта предполагают не столько точность формулировок, сколько цельное понимание предмета, потому что:

  • робототехника является прикладной наукой, ориентированной, в отличие от наук фундаментальных, не на поиск научной истины — точной и математически выверенной, — а на достижение практического результата — пусть и не всегда обоснованного теоретически;
  • робототехника является наукой комплексной, объединяющей и применяющей достижения и методологию других наук. Современная робототехника напоминает не застывшую в камне заповедь, а быстро эволюционирующее, подстраивающееся под технический прогресс живое существо[3];
  • в той части, в которой робототехника является практикой, конкретная польза важнее точных определений. Примерно как в Agile[4].

О широте взглядов настоящего робототехника

Диапазоны областей применения роботов и их возможных конструкций рождают обширный перечень требующихся специфических научных и практических знаний. Это приводит к тому, что робототехника вынужденно оперирует широчайшим набором методов, выбирая и дорабатывая нужные разделы различных областей науки и техники под собственные нужды.

Супер-пупер-боевой робот
с соревнований «Бронебот-2016»

Не должна вводить в заблуждение кажущаяся простота конструирования роботов в школьных и студенческих лабораториях на основе готовых робототехнических наборов: это лишь начальные уровни развития инженеров-робототехников. Конечно, многие известные продукты, особенно, бытового назначения, как раз и стартовали с экспериментальных образцов на таких вот начальных уровнях, лишь относительно немного добавив затем в качестве, надежности, эргономичности и внешнем дизайне используемых компонентов для перехода на массовость.

Сложности начинаются тогда, когда предъявляются специфические требования, связанные с условиями применения изделия, на которые не рассчитаны имеющиеся готовые компоненты и сборки, Робототехнический комплекс «Уран-9»
ОАО «766 УПТК»
например: высокие динамические нагрузки при жёстких требованиях к точности (промышленные манипуляторы); большие массы перемещаемых грузов (роботизированные складские подъемники); работа при отрицательных температурах, воздействии осадков и пыли (наружное применение); необходимость организации дополнительного отвода тепла (в условиях жаркого климата или в вакууме); длительные и / или интенсивные вибрационные и / или ударные нагрузки (перевозка различными видами транспорта, выведение на космическую орбиту, отдача при стрельбе в боевых роботах); повышенное гидростатическое давление и коррозионное воздействие морской воды (морские подводные роботы); стойкость к ионизирующим излучениям (роботы для атомных станций, военные роботы, космические роботы — причём характеристики излучений будут для них всех различными) и т.д.

Отдельным вопросом всегда является выбор типа и расчёт приводов: электрических со всеми их многочисленными разновидностями (наиболее распространены), гидравлических или пневматических; линейных или вращательных. Ещё — выбор типа и проектирование движителя (для мобильных роботов): например, колёсного или гусеничного (в случае наземных роботов). Организация энергообеспечения (для мобильных роботов) — аккумуляторного или кабельного. Оснащение всевозможными датчиками. Обеспечение связи (для мобильных роботов) — беспроводной или проводной. Есть чем заняться.

Структура трёхконтурной САУ
с последовательным подчинённым регулированием координат

Одна из главных задач проектирования роботов — это задача синтеза системы управления. Только этому вопросу посвящён не один курс дисциплин в вузах. Управление в современных роботах организовано на нескольких уровнях (например, распространен трёхуровневый принцип построения систем управления): это и программный код, управляющий непосредственно двигателями; и много математических вычислений с применением тригонометрии — для согласования движений шарниров (для манипуляторов) — и систем дифференциальных уравнений — для учёта динамических характеристик элементов робота; и ПО пульта оператора; и какой-нибудь программный блок, гордо именуемый искусственным интеллектом.

Теперь должно быть понятно, почему курсовой работой для студента-робототехника запросто может быть расчёт привода лифта. Пусть он и не лифтотехник, но ему же надо на чём-то тренироваться! (А кроме того, пусть кто-то докажет, что современный лифт — это не робот.)

Понятно и то, почему студенты и выпускники вузов по специальности «Робототехника» пишут курсовые работы, защищают проекты и диссертации по самым разнообразным темам, часть из которых, казалось бы, вовсе не имеет отношения к робототехнике. В курсовую работу, дипломный проект, бакалаврскую и даже магистерскую диссертацию просто не впихнуть рассмотрение на экспертном уровне хотя бы всех перечисленных технических аспектов, а ведь это ещё далеко не полный их список. Такая задача под силу уже только профессиональному коллективу, выполняющему полноценную ОКР. Вот студенты и сосредотачиваются на каком-то одном узком направлении. А в итоге получается, что к робототехнике можно привязать чуть ли не любую тему, где хотя бы пахнет приводами.

Что изучают будущие робототехники в вузах

Упрощённая структурная схема электродвигателя

Понимание приведённых выше технических вопросов требует изучения в вузе приблизительно следующего перечня дисциплин, специфических для направления робототехники (их названия и состав могут несколько отличаться от вуза к вузу):

  • основы робототехники (студентам объясняют, куда же они поступили);
  • технологии роботизированного производства;
  • проектирование роботов (учимся принципам общего проектирования роботов);
  • моделирование и исследование роботов (учимся компьютерному моделированию роботов);
  • конструирование роботов (учимся разрабатывать конструкции);
  • приводы роботов (применение электроприводов, гидроприводов, пневмоприводов, возможна ещё кое-какая экзотика);
  • электронные узлы систем управления роботов (учимся разрабатывать аналоговые электронные блоки: усилители сигнала, инверторы и прочие интересности);
  • микропроцессорные устройства систем управления роботов (учимся разрабатывать управляющие цифровые электронные блоки);
  • ЛАЧХ и ЛФЧХ
  • анализ и синтез систем автоматического управления (учимся строить и исследовать системы управления в общем виде: переходный процесс, ЛАЧХ и ЛФЧХ, анализ устойчивости — вот это вот всё);
  • программные системы управления роботов (учимся программировать роботов на «верхнем уровне»);
  • методы искусственного интеллекта в робототехнике;
  • надёжность роботов (скукотища для истинного разработчика!).

Перечисленные дисциплины — это лишь то, что может потребоваться инженеру-робототехнику в повседневной жизни, непосредственно на рабочем месте. Теоретической же базой для них служат следующие прикладные дисциплины, изучаемые в вузе перед делением по специализациям:

  • начертательная геометрия и инженерная графика (учимся чертить);
  • теоретическая механика (всем известный теормех);
  • сопротивление материалов (всеми любимый сопромат);
  • конструкционные материалы (сведения для конструкторов о сталях и других сплавах, композитных материалах и всяких прочих материалах);
  • Структурная схема зубчатого механизма
  • теория механизмов и машин (известная всем как ТММ);
  • детали машин;
  • теоретические основы электротехники (ТОЭ — всё про электричество);
  • электронные приборы (p-n-переходы, диоды, стабилитроны, транзисторы, тиристоры, симисторы... — столько радости, и всё в одном курсе!);
  • электрические машины (электродвигатели, электрогенераторы, вращающиеся трансформаторы, сельсины... — все любимые игрушки мальчиков!);
  • гидравлика и гидравлические машины (насосы, гидромоторы, дроссели, гидроаккумуляторы и т.д.);
  • пневмоприводы (компрессоры, пневмодвигатели, ресиверы и т.д.);
  • электронные элементы систем управления (речь пойдёт о всевозможных датчиках обратных связей);
  • микропроцессорная техника (изучаем микропроцессоры и учимся их программировать на «низком уровне»);
  • теория автоматического управления (ТАУ — много матричной математики для задач автоматического управления, теоретические вопросы устойчивости систем и т.д.);
  • цифровые системы автоматического управления (переложение математического аппарата ТАУ для случая дискретных систем);
  • прикладное программирование;
  • метрология и стандартизация (смертная тоска для настоящего, уважающего свою индивидуальность разработчика!);
  • конструкторско-технологическая подготовка (введение для конструкторов в волшебный мир производства и механической обработки материалов);
  • разработка печатных плат (учимся проектировать и вручную паять печатные платы);
  • экономика предприятия (куда ж без расчета экономических эффектов в наше вечно кризисное время!).

Ну, и, разумеется, изучение всего приведённого перечня дисциплин возможно лишь после освоения на первых курсах традиционного фундаментального набора (здесь не указаны непрофильные общеобразовательные дисциплины, также присутствующие в любом вузе):

  • высшая математика и её разделы;
  • физика и её разделы;
  • информатика;
  • экономическая теория.

Стоит упомянуть и то, что студенты в процессе обучения выполняют различные курсовые и исследовательские работы, а также проходят следующие виды практик:

  • технологическая (изучение современных технологических процессов и оборудования непосредственно на заводах);
  • преддипломная (практическое изучение принципов работы современной проектной организации).

Кому нужны робототехники и кто нужен в робототехнике

На что следует обратить внимание, глядя на сказанное выше. Во-первых, на большой перечень специальностей и специализаций, требующихся при разработке роботов, который приводит к необходимости широкой кооперации внутри коллективов робототехников. Невозможно одному человеку быть экспертом во всех перечисленных выше областях знаний, и невозможно одному человеку самостоятельно разрабатывать роботов. Можно в одиночку собрать игрушечный робот на основе набора юного робототехника. Можно, обладая талантами, втроём-вчетвером основать стартап и разработать работающий экспериментальный образец не очень сложного робота. Но полноценное, самодостаточное подразделение робототехники (или специализированная компания), устойчиво зарабатывающее на выполнении коммерческих заказов, должно, по опыту, иметь в штате хотя бы 20 – 30 человек инженеров: 5 – 10 конструкторов, 5 – 10 электронщиков, несколько программистов и несколько технических руководителей.

Во-вторых, широкий круг изучаемых будущими инженерами-робототехниками дисциплин позволяет им в дальнейшем работать не только непосредственно по своей специальности, но и по большому количеству смежных. Из того, что сразу приходит на ум:

  • конструктор (не только роботов);
  • электронщик, схемотехник;
  • как специфический случай электронщика — приводчик (разработчик драйверов — управляющих блоков электродвигателей на силовой электронике);
  • программист микроконтроллеров (низкоуровневый);
  • прикладной программист (высокоуровневый);
  • системный аналитик;
  • да даже технический писатель (был бы талант!)

— со всеми возможными специализациями по этим специальностям. Конечно, пессимист скажет, что универсальный специалист одинаково слаб во всех областях, зато оптимисты будут считать, что ему открыты все дороги.

В-третьих, в обратную сторону, зачастую в робототехнику приходят инженеры других специальностей, соответствующие требуемым на каждой позиции компетенциям, а не только дипломированные специалисты по робототехнике. Получается, и робототехника открыта для всех!

Чего робототехника не изучает

Так чего же, при такой широте охвата, робототехника не изучает?

А не изучает она процессы и технические средства, которые, говоря попросту, «заняты», т.е. уже где-то изучаются. Речь идёт о направлениях, требующих собственного математического аппарата и собственных методов исследований, которые разрабатываются в других областях науки и техники, закономерно возникших раньше робототехники. В качестве примеров можно привести следующее:

    БЛА «Орлан-10» — ООО «СТЦ»
  • беспилотные летательные аппараты (БЛА) — это сфера деятельности авиастроителей, изучающих динамику и баллистику воздушных летательных аппаратов, специфические вопросы их конструирования и управления полётом, а также авиационные двигатели с их собственными вопросами теплообмена и управления и т.д. и т.п. Освоение всех этих особенностей будет означать полную переквалификацию инженера-робототехника;
  • ракеты (как в космонавтике, так и ракетное оружие) и всевозможные автоматические космические аппараты (АКА) — ими с самого начала занимаются ракетостроители на предприятиях ракетно-космической отрасли. Они знают всё про ракеты, космические аппараты — как пилотируемые, так, заодно, и автоматические, — а также про управление их движением в атмосфере и в космическом пространстве (максимально автоматизированное уже на самых первых шагах развития космонавтики по причине почти полной невозможности ручного управления), про ракетно-космическую теплотехнику, про разгонные блоки, ракетные двигатели, стартовые комплексы... всего и не перечислить;
  • АНПА и ТНПА из состава
    робототехнического комплекса
    «МТ-2012» (Галтель)
    — ИПМТ ДВО РАН

  • надводные и подводные роботы также держатся особняком, и это направление находится, главным образом, в руках судостроителей, изучающих специфические вопросы разработки надводных и подводных судов, такие как: гидродинамика надводных / подводных аппаратов, особенности их конструкции (в том числе, связанные с дополнительным гидростатическим давлением под водой), системы надводной / подводной ориентации и навигации, особенности систем электропитания надводных / подводных аппаратов и проч.;
  • строго говоря, шасси наземных (напланетных) мобильных роботов — колёсные, гусеничные — тоже не вопрос робототехников. Этим занимаются специалисты по направлению «Колёсные и гусеничные машины», разрабатывающие автомобили, трактора, военные наземные машины и т.п.

Как указывалось в другой нашей статье[5], многие из этих устройств, в соответствии с определением термина «робот», могут быть отнесены к робототехнике, даже если обычно люди не называют их роботами. Их исключение из этой категории нелогично и потребовало бы внесения изменений в это многострадальное определение, например, так: Дистанционно управляемый аппарат
«Луноход-2» — НПО им. С.А. Лавочкина
(разработчик шасси — ВНИИТрансмаш)
«Робот — программируемый исполнительный механизм, обладающий некоторой степенью автономности и движущийся внутри своей рабочей среды с целью выполнения задач по назначению... если это не ракета ... и не космический аппарат... и не беспилотный летательный аппарат... и не надводный робот... и не подводный... открыто для будущих исправлений». Смешно.

В результате же получается, что многие устройства, к которым мы давно привыкли, с полным основанием могут быть названы роботами, но чтобы выучиться на разработчика таких роботов, придется поступать не на специальность «Робототехника», а на другую, в соответствующей области, например: «Системы управления летательными аппаратами», или «Проектирование ракетно-космических комплексов», или «Кораблестроение», или ту же «Колёсные и гусеничные машины». При этом крупные эксперты по одному виду роботов (например, беспилотным летательным аппаратам — БЛА) могут быть полными дилетантами в другом виде (например, в автономных / телеуправляемых необитаемых подводных аппаратах — АНПА / ТНПА).

«Да, это роботы! Нет, робототехника ими не занимается!»

Так и живём.

Немного выводов

Если теперь коротко обобщить сказанное, то можно отметить следующее:

  • робототехника уделяет большое внимание, конкретно, манипуляционным роботам, Двурукий коллаборативный
    манипуляционный робот YuMi — ABB
    изучая остальные подвижные механизмы (ракеты, космические аппараты, воздушные летательные аппараты, надводные и подводные аппараты, колёсные и гусеничные шасси) лишь в принципиальных аспектах. Или не изучая вовсе;
  • также робототехника подробно изучает вопросы управления техническими системами вообще: начиная с приводов (нижний уровень), через теорию и практику систем автоматического управления и до управляющего программного обеспечения верхнего уровня;
  • такая позиция «стоять над всем», с одной стороны, означает недостаток специальных знаний по многим областям, в которых может понадобиться работать, а с другой, иногда позволяет, при необходимости (и желании), специализироваться в дальнейшем «на ходу» с относительно малыми трудозатратами;
  • достаточно широкий набор знаний выпускников-робототехников позволяет им работать по различным специальностям, а не только непосредственно по своей;
  • наоборот, в робототехнике работает много специалистов по смежным специальностям, чьи знания востребованы для решения какой-либо конкретной задачи;
  • серьёзный, устойчиво функционирующий коллектив робототехников не может быть очень маленьким: по мнению автора, в нём должно быть не менее 20 – 30 инженеров разных специализаций. Хорошо это или плохо, но профессиональная робототехника — затея для обеспеченных организаций...
  • и ещё один момент, который важно отметить: робототехника является очень удобным занятием для подрастающих будущих инженеров, потому что позволяет наглядно и простыми средствами обучать детей основам конструирования, электроники и программирования. А это позволит им уже самим выбрать для себя интересное направление дальнейшего развития.

Надеюсь, ответ на поставленный в начале вопрос мы дали и обосновали, а вот решать, связываться ли с робототехникой, — это ваша задача.


  1. Что такое робот?
  2. ГОСТ Р 60.0.0.4-2019/ИСО 8373:2012 «Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения»
  3. В качестве примера на эту тему. Классики робототехники учили использовать для синтеза систем управления роботов методы теории автоматического управления: характеристические уравнения, частотные методы анализа систем, исследование устойчивости по Ляпунову... Для тех, кто понимает, о чём это. См., например, здесь:
    Теория систем автоматического регулирования. Издание третье, исправленное. Бесекерский В. А., Попов Е. П., издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, М., 1975, 768 стр.
    Только, сдаётся мне, все эти методы остаются исключительно в рамках научной среды и не пересекают порог, за которым начинается практическая деятельность.
    И всё же, профессионалы как раз и отличаются глубиной знаний, ширину же наверстать гораздо проще.
  4. Agile-манифест разработки программного обеспечения
  5. См. [1]
close