Зачем «Киберфизика» робототехнике

Конструкторы для обучения детей робототехнике

Share Button

Авторы онлайн-курса «Строим роботов и другие устройства на Arduino» Алексей Перепелкин и Дмитрий Савицкий поговорили c Сергеем Ковыршиным, начальником центра образовательной робототехники и мехатроники Иркутского государственного университета путей сообщения, об опыте и допустимости использования Arduino в вузах и участии студентов в Робофесте.

На прошедшем Робофесте-2017 я, наконец, не был занят проведением Hello, Robot! Arduino и смог вдоволь поговорить и с коллегами по цеху, и с молодежью.

Кстати, встретил парней из GoTo: не ожидал их увидеть на площадке Кубка РТК в составе одной команды – это школьники из разных городов! Они скооперировались сами, без руководителя, и приехали соревноваться.

Неожиданным для меня было количество людей, которые приветствовали и благодарили за наш онлайн-курс «Строим роботов и другие устройства на Arduino».

Один из собеседников, Сергей Ковыршин, обрадовал, что его студенты используют курс при прохождении учебной практики. Сергей приехал на фестиваль из Иркутска, где он является начальником центра образовательной робототехники и мехатроники Иркутского государственного университета путей сообщения.

Мы предложили ему рассказать о своем опыте подробнее, и вместе с Дмитрием Савицким (мой коллега по Киберфизике) задали Сергею несколько вопросов.

Сергей Ковыршин и Алексей Перепелкин

Сергей Ковыршин и Алексей Перепелкин

Алексей Перепелкин: Дмитрий вел курс «Основы создания киберфизических устройств» в стенах родного МФТИ. Аудитория была разная: от младшекурсников разных факультетов до сотрудников лабораторий, которые хотели научиться автоматизировать те или иные исследовательские процессы.

А у вас студенты каких специальностей изучают наш онлайн-курс?  

Сергей Ковыршин: Это студенты бакалавриата по специальности «Мехатроника и робототехника». На первом курсе у них есть практика, которая по большей части состоит из самостоятельной работы, поэтому именно онлайн-курс оказывается кстати, и мы рекомендуем студентам проходить его.

То есть курс для начинающих оказывается полезным для студентов-робототехников? Чему посвящена эта их практика?

Официально она называется «Учебная – по получению первичных профессиональных умений и навыков, в том числе первичных умений и навыков научно-исследовательской деятельности» объемом 108 часов. В рамках этой практики студенты осваивают основы пайки, схемотехники и электроники, изготовления печатных плат и монтажа, программирования микроконтроллеров. В конце, в качестве финальной работы, студенту нужно изготовить робота (или другую мехатронную систему) и запрограммировать его. То есть применить полученные знания на практике. Многие выбирают мобильных роботов.

dmitriy-savick

Дмитрий Савицкий из Киберфизики

Не можем не задать вопрос, который волнует всех: что такое робототехника? Если человек придет на день открытых дверей в ваш университет, как ему расскажут, что такое робототехника? Мехатроника?

На сегодняшний день существует достаточно много определений, что такое «мехатроника» и «робототехника».

Анализу термина «мехатроника» даже были посвящены многочисленные научные публикации, например, из работ российских ученых  можно отметить работу профессоров Подураева Ю.В. и Кулешова В.С., которые в своей статье «Принципы построения и современные тенденции развития мехатронных систем», опубликованной еще в 2000-ом году в первом номере  журнала «Мехатроника», привели ретроспективу и эволюцию этого термина.

Я обычно, при объяснении этих терминов, придерживаюсь определений, которые приведены в государственном образовательном стандарте по специальности «Мехатроника и робототехника»:

Мехатроника – это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными  компонентами, обеспечивающем проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением  их функциональными движениями.

Робототехника – область науки и техники, ориентированная на создание роботов и робототехнических систем, построенных на базе мехатронных модулей (информационно-сенсорных, исполнительных и управляющих). Роботы и робототехнические системы предназначены для выполнения рабочих операций от микро- до макро размерностей, в том числе с заменой человека на тяжелых, утомительных и опасных работах.

Из определений можно понять, что робототехника – это одно из направлений мехатроники, связанное с созданием роботов для выполнения различных технологических операций, в том числе для замены человека  в опасных и тяжелых условиях труда.

Правильно ли мы понимаем, что это первая за время обучения практическая работа будущих профессионалов в мехатронике и робототехнике?

В общем, да, на учебной практике студенты создают своего первого робота или мехатронную систему. Пусть, может, они пока не отличается оригинальностью, но этот практический опыт очень ценен для них, ребята сразу включаются в проектную деятельность, учатся именно создавать.

irgups-robot

Вот пример первого робота, созданного на учебной практике. Студент делал его для внутренних соревнований «Шорт-трек», аналогичных тем, что проходят на Робофесте в направлении Arduino. Робот способен совершить полный круг менее чем за 10 секунд. Практикант сам разводил печатную плату, травил ее, монтировал электронику и двигатели, программировал. Своих роботов студенты предоставляют вместе с отчетом по практике.

В дальнейшем, на старших курсах, студенты создают более сложных роботов и, в том числе, пробуют свои силы на робототехнических соревнованиях. На этом Робофесте наши студенты четвертого курса выступают в направлении AutoNet 18+.

Роман Пономарев отлаживает программу робота Автонет на Робофесте 2017

Роман Пономарев отлаживает программу перед заездом

Можете ли для сравнения привести примеры практических работ старшекурсников? Может быть, дипломные проекты?

Мы стараемся давать студентам такие темы дипломных проектов, которые бы решали конкретные производственные задачи. Примечательно, что большинство проектов выполняется именно на Ардуино.

Например, из дипломных проектов прошлого года можно отметить двухколесное самобалансирующееся транспортное средство (Сигвей), макет полностью автоматического мостового крана с активным демпфированием колебаний груза и оптимизацией погрузочно-разгрузочных работ по скорости, систему помощи водителю при маневрировании задним ходом с прицепом и другие.

Дипломный проект Сигвей

Дипломный проект Сигвей

Дмитрий Савицкий: Нередко слышится критика в адрес Ардуино по причине ее «упрощенности» и нерелевантности промышленным системам. Вы и ваши коллеги, судя по всему, не разделяете этот скепсис – так ли это? Почему считаете Ардуино подходящей для обучения студентов платформой, где границы ее применимости?

Так «упрощенность» и доступность микроконтроллерной платы Ардуино — и есть ее главное достоинство. Она и разрабатывалась с ориентацией на непрофессиональных пользователей с использованием высокоуровневых языков программирования, это ее целевое назначение. Даже школьник может через несколько часов знакомства с этой платой собрать простую электрическую схему, написать свою первую программу и сразу получить быстрый результат. Увидеть его своими глазами в виде мигающих светодиодов, запущенных моторов, информации с датчиков на дисплее и т.д. Это позволяет эффективно изучать принципы программирования, основы электроники, схемотехники и теории автоматического управления.

Налицо доступность начинающим робототехникам современной микроконтроллерной базы для реализации своих проектов. Также важным является использование в Ардуино безопасных уровней напряжений, как правило 3.3 V и 5V DC. Такие уровни не могут причинить вреда здоровью начинающего робототехника.

Конечно, есть контроллеры, которые специально разрабатываются для промышленности – промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК). Они отвечают самым высоким требованиям надежности, предназначены для эксплуатации в жестких условиях производства, но цена у этих контроллеров несоизмерима с платами Ардуино, даже при аналогичных показателях производительности. Для сравнения, оригинальная Arduino Uno стоит у нас около полутора-двух тысяч рублей, аналог – в десять раз меньше. Промышленный ПЛК стоит несколько десятков тысяч рублей, к тому же стоимость среды программирования зачастую превышает стоимость контроллеров.

Программирование Ардуино и промышленных ПЛК принципиально не отличаются. По мне, построение систем управления на промышленном ПЛК еще проще, чем на Ардуино. Это связано с унификацией всех входных и выходных сигналов на ПЛК (чаще всего это 24V для дискретных входов-выходов и 0…+10V или 4…20 мА для аналоговых), многие вещи, такие как гальванические развязки, подтягивающие/стягивающие резисторы и др., уже штатно аппаратно реализованы в ПЛК, что значительно упрощает работу с ним. Стандартизированные МЭК 61131-3 языки программирования ПЛК тоже не отличаются большой гибкостью и низкоуровневостью программирования, поэтому судить о том, что они лучше, чем язык в среде Arduino IDE, некорректно.

В общем, у Ардуино и промышленных ПЛК разное назначение и сферы применения. Ардуино создана именно для обучения и для любительских проектов — тут и находится граница ее применимости. ПЛК — для решения промышленных задач. Из собственного опыта: если человек научился хорошо программировать Ардуино, то ему не составит труда перейти на промышленные языки программирования. Ранее у нас в команде была студентка Наталья Ковалева. Она отвечала за разработку управляющих программ робота. Команда участвовала в номинациях «Мобильные системы» и «БаскетБот». Так ее еще во время производственной практики взяли на работу программистом промышленных контроллеров и систем HMI в инжиниринговую компанию. Сейчас она ведущий программист в этой компании  и пишет программы для очень ответственных объектов – нефтеперерабатывающие,  химические заводы и другие.

Команда ИрГУПС: Наталья Ковалева, Павел Чехин, Роман Пономарев, Иван Ведерников. Робофест-2015, второе место в номинации «БаскетБот»

Команда ИрГУПС: Наталья Ковалева, Павел Чехин, Роман Пономарев, Иван Ведерников. Робофест-2015, второе место в номинации «БаскетБот»

Мы с коллегами, как и многие, кто трудится на ниве первичной подготовки молодежи к выбору правильной профессии, нередко сталкиваемся с констатацией факта отсутствия в России такой отрасли, как робототехника. Считаете ли вы такое утверждение верным? Как бы вы охарактеризовали состояние этой области у нас в стране?

Если смотреть на робототехнику шире, то становится очевидно, что в повседневной жизни и на производстве используются робототехнические и мехатронные системы. Причем их доля в современной технике становится все больше и больше. Например, на железной дороге – это автоматизированные путевые машины, которые практически без участия человека производят ремонт и монтаж железнодорожных путей, современные локомотивы, автоматизированные склады и многое другое. Совсем скоро у нас на дорогах появятся беспилотные роботы-автомобили. Вся современная космическая и военная техника – это в той или иной степени роботы и мехатронные системы. Таких примеров можно привести очень много.

В настоящее время вводятся профессиональные стандарты, которые впервые регламентируют профессию «Мехатроник» и «Специалист по робототехнике». Это говорит о том, что государство сейчас уделяет большое внимание развитию этих отраслей.

В некоторых направлениях робототехники мы пока еще отстаем от зарубежных коллег, но у нас в стране много талантливой и увлеченной робототехникой молодежи (это отлично видно на робототехнических соревнованиях, вот, например, здесь, на Робофесте), которая должна при поддержке государства устранить этот пробел.

Чем занимаются выпускники вашего университета, которые получили робототехническую специальность?

Работают практически во всех областях, где производится разработка и эксплуатация управляемых технических систем и систем АСУ ТП. Это инжиниринговые фирмы, непосредственно производство, программирование промышленных систем автоматизации и другие. Кто-то идет на железную дорогу, эксплуатировать путевые машины-роботы.

Может ли наш курс быть полезным за рамками упомянутой практики? Возможно, есть пересечения с какими-то дисциплинами профильных специальностей у робототехников?

После того, как студенты создают своих первых роботов на Ардуино (или на другой микроконтроллерной базе) и учатся их программировать, в том числе с использованием вашего курса, используют их в лабораторных работах в курсах «Теория автоматического управления» – для изучения особенностей различных регуляторов, «Информационные устройства» – для изучения принципа функционирования и устройства датчиков (энкодеры, гироскопы-акселерометры, газоанализаторы, силометрические датчики и другие), «Электропривод» – для изучения принципов управления и регулирования частотой вращения, момента и положения выходного вала электрического двигателя.

В общем, считаю ваш курс полезным для студентов по направлению подготовки «Мехатроника и робототехника» и смежных специальностей. Он позволяет очень быстро погрузиться в принципы программирования управляемых технических систем.

Большое спасибо за курс, он получился очень удачным! Рекомендую всем!

Сергей, мы рады, что вы дали нам живое свидетельство использования нашего курса в учебном процессе. Спасибо и успехов со студентами!

А мы в свою очередь напомним, что уже сегодня, 27 марта, стартует очередная сессия курса «Строим роботов и другие устройства на Arduino. От светофора до 3D-принтера».

Читайте также интервью с Алексеем Перепелкиным об образовательной робототехнике и о том, почему он остается на «ардуиновом поле».

Share Button

Один комментарий к статье “Зачем «Киберфизика» робототехнике”

  1. Занимательная робототехника

    01.04.2017

    Ответить на этот комментарий

Оставить комментарий

© 2014-2017 Занимательная робототехника, Гагарина Д.А., Гагарин А.С., Гагарин А.А. All rights reserved / Все права защищены. Копирование и воспроизведение в любой форме запрещено. Политика кофиденциальности. Соглашение об обработке персональных данных.
Наверх