Эффект «Бабочки»: о развитии робототехники
Роман Усатов-Ширяев: технологическое превосходство определяется компетенциями в управлении роботами в промышленности, медицине, транспортной сфере. В лаборатории группы...
Роман Усатов-Ширяев: технологическое превосходство определяется компетенциями в управлении роботами в промышленности, медицине, транспортной сфере.
В лаборатории группы компаний Robotikum – традиционный научный беспорядок. Приборы, планшеты, бумаги, расчеты. В центре – внешне малоприметный прозрачный куб, внутри которого на первый взгляд несложная конструкция из видеокамеры, профиля в виде крыльев бабочки и яркого шарика. Эта несложность обманчива: академическая задача – удержать шарик на вращающемся профиле, похожем на восьмерку, – поставлена перед научным сообществом почти 20 лет назад, и первыми ее решили именно сотрудники Robotikum.
– Компьютер управляет видеокамерой, которая следит за лежащим на профиле шариком. Когда двигатель начинает вращаться, а вместе с ним вращается и профиль, необходимо с помощью алгоритмов, управляющих их движением, удержать шарик, – пытается предельно просто объяснить мне, непосвященному, принцип работы прибора директор ГК Robotikum Роман Усатов-Ширяев.
По сути, роботизированная установка с романтичным названием «Бабочка» – уникальный прибор, который производят только в Robotikum. В конце ноября состоялась первая экспортная поставка, но Роман Усатов-Ширяев говорит о том, что ставка на экспорт во многом вынужденная мера. Компания хотела бы в первую очередь обеспечить «Бабочками» отечественные вузы, но переговоры в этом направлении сложны и непредсказуемы.
– Какие решения помогает найти «Бабочка»?
– Это лабораторный комплекс, на котором студенты учатся решать сложные задачи в робототехнике через исследования. Порядок задач имеет отношение к таким решениям, как посадка космического корабля на платформу, фрезерные работы, требующие контакта с материалом, которые делают промышленные роботы, экзоскелеты и так далее, – все, что связано в робототехнике с манипулированием, управлением неполноприводными системами. Когда нам удалось решить задачу, поставленную в 1998 году профессором Северо-Западного университета из США Кевином Линчем, нужно было убедить мировое научное сообщество в том, что мы это действительно сделали, и предъявить миру рабочий прототип.
«Бабочка» стала в прошлом году одной из сенсаций влиятельной выставки по автоматизации и робототехнике ICRA, проходившей в Сиэтле, наш стенд пользовался громадной популярностью. Простота тут действительно обманчива. Но это плюс – ведь комплекс удобен для проведения лабораторных работ. Когда студенты запускают «Бабочку», то за счет алгоритмов, написания соответствующих программ, они делают так, чтобы шарик не скатился с профиля. Нужно не только очень хорошо знать теорию управления, физику, математику, другие профильные науки, но и уметь интегрировать эти знания в конечном эксперименте.
Мы показали «Бабочку» в мае прошлого года, затем была напечатана статья в одном из авторитетных изданий по робототехнике, но пока никто не смог повторить наше достижение. Теория управления считается одной из самых сложных технических наук, а наше изобретение – на пределе возможного. К слову, тот комплекс, что мы поставляем на экспорт, – уже в третьей версии, самый продвинутый. Первый вариант был в два раза больше, второй – скромнее. Мы упростили дизайн, сделали больше удобных приспособлений для пользователей. На выставке в Сиэтле к нам подходили представители университетов, предлагали продать пилотный стол с блоком программ, который мы привезли, чтобы просто показать работоспособность алгоритмов. Мы спрашивали: зачем? Нам отвечали: подкупает простота изобретения вкупе с огромной сложностью задач, которые можно поставить. Дешево, наглядно и соответствует всем ориентирам робототехники. Ведь практически все лидеры в робототехнике уперлись в решения по управлению, в новые методы, новые подходы к исследованию таких систем и к их программированию.
Почему это актуально? Робот будущего станет основой безлюдного производства. Такого, где человеку находиться вредно или опасно либо просто катастрофически нет профессионалов. Сейчас «рукастые» роботы – промышленные манипуляторы – занимаются бесконтактными операциями, к примеру сваркой и покраской. А какова задача робота в контактной операции, когда он работает вместо человека? Он должен, например, фрезой пройтись по материалу, который будет оказывать сопротивление. Нужно это сопротивление учесть, чтобы заставить фрезу идти по нужной траектории, заложенной в программу.
– Как вы пришли к этой идее?
– Все началось с формирования устойчивой научной группы, все участники которой из Санкт-Петербурга. В течение долгого времени работали вместе над разными проектами и теоретическими задачами. И одну из таких задач для мирового научного сообщества сформулировал тот самый автор задачи про «робота-бабочку» – Кевин Линч. Он придумал наиболее сложную траекторию, которая есть. Она должна быть замкнутой, менять кривизну и знак кривизны. У нее должны быть выпуклости и впадины. То есть важно было создать максимальные трудности для передвижения шарика, ведь он должен перекатываться с переменной скоростью. Когда эту траекторию нарисовали, оказалось, что она похожа на крылья бабочки.
Первые теоретические разработки, позволяющие решить эту задачу, появились только в 2002 году. Теория постепенно наполнялась смыслом, и тогда стало очевидным, что есть возможность произвести революцию в робототехнике. Ведь то, что роботы умеют делать все, – это миф, отчасти сформированный нашим восприятием, нашей фантазией. Если мы говорим о массовом продукте, то важно, чтобы действия, которые совершает робот, повторялись постоянно. Иначе разработки не имеют смысла.
Стали думать, как коммерциализовать теорию и сделать опытный экземпляр. Участники группы на тот момент уже работали в разных университетах, в том числе и в зарубежных, поэтому мы решили сначала развивать направление образовательной робототехники, чтобы впоследствии подключиться и к новым задачам. В декабре 2015 года заключили первый контракт на поставку «Бабочки» в Томский политехнический университет.
Также разработкой заинтересовался Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, где мы впоследствии и открыли лабораторию, чтобы совместными усилиями двигаться дальше. Нам заказали три комплекса, в конце ноября первый из них уже отправился в Норвегию.
Поскольку для нас экспорт дело новое, внимательно изучаем весь процесс, чтобы при последующих поставках исправлять допущенные ошибки. Большим опытом стало и участие в тендерах, которые были объявлены нашим зарубежным заказчиком и который мы в итоге выиграли. По правилам тендера его участники обменивались документацией. Компании, которые уже много лет поставляют лабораторное оборудование в сотни университетов, были убеждены, что сделать «Бабочку» невозможно. И то, что мы выиграли, стало заявкой на серьезные позиции на мировом лабораторном рынке.
– А что же отечественные вузы?
– Они консервативны. Наш бренд пока малоизвестен, при этом делаем уникальное оборудование для обучения студентов. Присутствуют страх и непонимание, приходится много объяснять, показывать лабораторные работы. Закупить такое оборудование – для вуза большая и длинная история, завязанная на бюджетный год. Но малое предприятие не может жить длинными циклами, без продаж. За рубежом все проще. В США университеты частные, если профессору что-то понравилось – идет на кафедру, просит изыскать средства, устроить тендер, и оборудование «сразу» (по меркам России) покупают. Сложность задач видна сразу, дополнительных аргументов не требуется. Профессор, а не закупщик является лицом, непосредственно влияющим на решение.
В России те, кому оборудование нужно, и те, кто принимает решение о его покупке, зачастую разные люди. Пока ситуация не изменится, и мы, и наши коллеги, работающие в сфере высоких технологий, будем вынуждены поставлять компетенции за рубеж. Там начнут учиться на уникальном оборудовании, решать сложные задачи – и всегда будут на шаг впереди. Нам хотелось бы, чтобы бизнес стартовал здесь. Ведь технологическое превосходство страны характеризуется наличием компетенций и реализованных приложений новых алгоритмов управления в промышленности, медицине, управлении беспилотными транспортными средствами.
– Следующее приложение – уже в промышленной сфере?
– «Бабочку» можно собрать в лаборатории на нескольких столах. А вот чтобы собрать роботизированную ячейку для промышленности, требуется индустриальный партнер, под нужды которого этот робот будет создаваться. К примеру, мы обсуждаем проект создания роботизированной ячейки для сухой финишной полировки турбинных лопаток. Это сложная, вредная работа, которую до сих пор делают вручную. Встречаемся с производителями подобной продукции, рассматриваем варианты сотрудничества. Ведь требуется встроиться в производственный процесс, сформулировать задачу, проверить наши идеи на практике, удостовериться, что все идет как нужно. Если взять любое производство, то когда видим конечную деталь – 50% фрезерные работы, в том числе полировка. Потом, решив задачу по полировке, можно научиться решать другие фрезерные задачи.
– Наши предприятия готовы к такому сотрудничеству?
– Понимание постепенно приходит, но сила инерции мышления еще очень высока. Многие предприятия сидят на госзаказе, нет конкурентной среды. Зачем что-то менять, тем более если человеческий труд дешевле. Но радует, что разговоры о необходимости дальнейшей роботизации производства уже начались. Рынок промышленных роботов большой, в мире их порядка полутора миллионов. В основном они занимаются сваркой и покраской. Мы можем сделать так, чтобы роботы научились новым движениям, совершали новые операции. Предприятиям нужен готовый продукт, вкладываться в его разработку они не хотят. Но ведь на реализацию НИОКР требуется как минимум 1,5–2 года, теперь думаем, где взять средства на разработку. В банк не пойдешь, там дают кредиты только под активы.
– Существуют различные фонды, поддерживающие научные разработки…
– Мы резидент Фонда «Сколково», прошли экспертизу, что наш проект необходим для промышленности и есть возможности для коммерциализации. Теперь ищем индустриального партнера, ездим по предприятиям, ведем переговоры с потенциальными клиентами и другими институтами развития. Мировой рынок только промышленной робототехники уже оценивается в 35 млрд долларов, а с учетом потенциального роста его объем может достичь порядка 200 млрд долларов в ближайшие годы. Мы предлагаем схему выращивания инжиниринговой компании с российской юрисдикцией, которая в состоянии стать мировым лидером в отдельных направлениях робототехники. И бюджет, который требуется на эти цели от институтов развития, сравнительно небольшой, учитывая потребности. Но система «выращивания» подобных проектов пока в стране не отлажена, не настроена. К примеру, в Санкт-Петербурге есть Фонд развития промышленности, его бюджет на поддержку предприятий составляет 1 млрд рублей. Но Фонд не может финансировать НИОКР. То есть новое оборудование предприятие закупить может, а разработать – нет.
Давайте проведем опрос производственников, определим основные технологические и рыночные ниши, обсудим возможность получения инвестиций. Первая продажа роботизированной ячейки окупит все предыдущие расходы. А таких ячеек нужны тысячи. Но пока убедить в необходимости сделать такие шаги не удалось.
– Но вы верите в перспективы?
– Хорошо, что начались экспортные поставки, у нас появилась финансовая подушка, чтобы ждать, когда для наших решений созреют отечественные предприятия. Продадим три «Бабочки», десять, сто – но ведь их начнут все равно копировать. И знаете, если нам предложат участие в консорциуме в другой стране, в котором будут решаться задачи по промышленной робототехнике, мы согласимся. Хотя очень хотим развивать это направление здесь, в России.
Что касается перспектив «Бабочки», то мы уже придумали новые кейсы, в которых профили меняются. Поставили линейку, чтобы шарик катался по прямой. Другой вариант – сделать движение по кругу или эллипсу, когда существует постоянная кривизна. А самая интересная история – профиль в виде улитки. Эти задачи аналогичны, к примеру, посадке ракеты на баржу в океане. Там те же алгоритмы управления, а освоить их могут даже школьники. Но для глубокого понимания нужно пройти этот путь от простого повторения лабораторных работ к непростым алгоритмам новых программ для роботов.
«Бабочка» войдет в историю как основа теории, важный шаг на пути развития робототехники. Сферы применения роботов будут расширяться, а человек сможет заняться более полезными и приятными делами.