Роботы в естественной среде обитания 

Трое сотрудников Института автоматики и процессов управления ДВО РАН в этом году получат медаль Российской академии наук  для молодых ученых. 

Кандидаты технических наук Александр Зуев, Антон Губанков и Александр Коноплин – это сложившийся коллектив, работающий под руководством профессора Владимира Филаретова в одной из самых перспективных областей – развитие искусственного интеллекта. Их теоретические разработки уже находят практическое применение. Техника с искусственным интеллектом идет на оборонные заводы Приморья и в глубины Охотского моря

Искусственный интеллект – это, конечно, сильно упрощенное понятие. Коллектив занимается созданием интеллектуальных информационно-управляющих систем для робототехники и мехатроники (это наука об управляемых механизмах). Иными словами, задача этих ученых – наделить технику большей свободой действий и приспособляемостью к окружающей среде.

Программный тоталитаризм

Почему создание интеллектуальных роботов стало настолько актуальным? Сегодня на производстве, как правило, используются стандартные промышленные роботы с жестко заданной управляющей программой. Это такой тоталитарный режим, которому техника подчиняется беспрекословно. Все элементы и процессы четко структурированы и запротоколированы. Любое отклонение – это возникновение преграды, малейшее смещение детали чревато серьезными последствиями. В лучшем случае – срывом процесса, браком детали или поломкой оборудования. В худшем – травмами у человека. Робот должен точно знать, где в пространстве находится конкретная деталь. Ведь работает он практически вслепую, стопроцентно доверяя заложенному в него алгоритму.

На то, чтобы создать такую строго структурированную среду, компании затрачивают много времени и средств. Поэтому стандартные промышленные роботы подходят для крупного серийного производства. Например, на автозаводах. Однако когда предприятие производит широкий спектр деталей, но небольшими сериями, то вкладывать миллионы рублей, например, в оснастку (крепеж) для одной конкретной детали получается невыгодно. Здесь до сих пор используется ручной труд, что во многом замедляет процесс ее изготовления.

– Наша задача – разработать такие системы управления, чтобы роботы могли спокойно функционировать в неизвестной для них среде, – объясняет Александр Зуев. – Для этого мы создали специальную теорию и наделили роботов средствами очувствления – телекамерами и другими сенсорами. На основе предложенной теории возможна разработка принципиально новых интеллектуальных систем управления. Получая данные от сенсоров, робот интерпретирует их и действует согласно ситуации. Например, сам находит деталь, а не ждет, пока ее точно спозиционируют и зафиксируют.    

Антон Губанков отвечает в команде за систему формирования скоростных режимов движения роботов.

– Например, роботу дана задача обработать изделие из композитных материалов (пластика), – рассказывает он. – Они имеют определенную гибкость, могут гнуться, деформироваться. При этом выполнять обработку нужно с разными скоростями. По идее, чем быстрее, тем лучше. Но чем быстрее робот движется, тем сильнее вибрации и деформации. Соответственно, растет количество брака. Мы предложили автоматическую систему, которая позволяет развивать максимальную скорость выполнения операций, сохраняя качество на заданном высоком уровне.

А практика от теории отстает…

Сейчас в мире наблюдается настоящий бум интеллектуальных систем управления. Производство становится все более гибким, изменчивым, чаще проходит модернизация, смена модельного ряда. Компаниям выгодно иметь такое производство, которое легко и быстро перенастраивается на выпуск новых деталей. В числе стран-передовиков – Германия, Южная Корея, Япония, Тайвань. Причислить к ним Россию, к сожалению, пока нельзя. Тому есть ряд объективных причин. Главная, наверное, это медленный процесс внедрения научных достижений в производство.

– Мы ведем активное международное взаимодействие. Плотно сотрудничаем с Тайваньским университетом, – продолжает рассказ Александр Зуев. – И вот что интересно. В 2013 году, когда разговор о создании таких систем только начинался, у них был один робот. Приехав туда через год, мы узнали, что у университета уже несколько роботов и шесть заказов от крупных компаний на создание роботизированных производств. Сейчас же там вовсе расцвет. Создаются новые лаборатории робототехники.

Хотя с теоретической базой у нас все в порядке. Тут мы превосходим своих коллег. В частности, совместные теоретические разработки владивостокских ученых уже используются азиатскими университетами. На их основе создаются промышленные роботы с искусственным интеллектом, которые потом внедряются в текстильное производство, сборку серверов, покрасочные работы, обувную промышленность и т.д. У нас же внедрение роботов в производство по разным причинам происходит крайне медленно и только начинается. К нашему большому сожалению, если что-то и внедряется, то далеко не самое перспективное. Но уже появились запросы от местной промышленности, где серийность производства невысокая. И это радует.

Сейчас ИАПУ совместно с заводом «Дальприбор» во Владивостоке реализует ряд совместных проектов по внедрению очувствленных интеллектуальных робототехнических комплексов. Этот завод активно внедряет передовые технологии, а мы еще и обеспечиваем переподготовку его молодых кадров в направлении наших интеллектуальных технологий.

В глубине холодного моря

Коллектив занимается не только промышленными роботами, но и подводными аппаратами. Ученые разрабатывают подходы к построению их интеллектуальных систем управления. Это позволяет расширить круг их применения, экстраполировать разработки на разные виды техники.

– Я работаю оператором подводного аппарата, оснащенного рукой-манипулятором, – говорит Александр Коноплин. – Когда проводишь работы в море или океане, на подводный аппарат всегда воздействует множество внешних факторов: давление, течения, рука-манипулятор, которая, как весло, смещает его в сторону. Это сложный динамический объект. Причем пилот, по сути, не имеет прямого контакта с объектом управления. Он судит о его перемещении только с помощью телекамеры. То есть приблизительно. Наши интеллектуальные системы позволяют в этих условиях очень точно управлять аппаратом, а самому аппарату – приспосабливаться к среде…

И что важно, эти системы реально позволяют удерживать аппарат в заданной точке пространства с заданной ориентацией. Решена сложная задача, позволяющая совершать подводные манипуляции и операции: перенести предмет, открыть вентиль, обрезать трос, взять пробу грунта и т.д.

– Бывает, что надо погрузить аппарат на глубину 3 тыс. метров и более. Как правило, это занимает минимум 3 часа, – отмечает Александр Коноплин. – Потом пытаемся выполнить операцию, но окружающая среда воздействует на аппарат так, что это становится невозможно. В итоге, можно сказать, команда судна потеряла целый день: ничего не удалось. Благодаря же нашим разработкам аппарат удается стабилизировать. Мы всегда стараемся теорию применить на практике. Сейчас на базе Института биологии моря ДВО РАН ведется внедрение нашей технологии в четыре подводных аппарата просмотрово-рабочего класса. В этом году пойдем на вулкан Пийпа в Беринговом море, где будем испытывать реализованные нашей группой системы в жизнь. Одна из задач – взятие проб грунта манипулятором в режиме стабилизации подводного аппарата.

От одной романтики проку мало

По мнению ученых, сейчас в российском обществе растет интерес к науке и технике. У молодого поколения меняется отношение к технике. И у предприятий хоть и медленно, но появляется запрос на ученых.

– У нас уникальный молодой коллектив, – отмечает Александр Зуев. – Мы имеем российские и зарубежные публикации, патенты и получаем удовольствие от своей деятельности, а также хорошее вознаграждение. С нами работают несколько очень перспективных магистрантов, которые уже имеют серьезные научные публикации и останутся в коллективе.

Но наша промышленность пока еще инертна. Все еще бытует представление, что если ты ученый, то якобы должен быть нищим и отстраненным от нормальной жизни. Это не так. Сегодня мы находимся на острие, есть серьезнейшие перспективы. Например, выпускника нашей магистратуры, который работал с нами, пригласили на завод «Аскольд» в Арсеньеве. У них была проблема с внедрением промышленных роботов на производство. Мы его туда направили, и он за короткий срок решил проблему. Сейчас остался там – на прекрасном счету, с высокой зарплатой и жильем. И это не исключительный, а обычный случай.

Что нужно сделать, чтобы молодежь шла в науку? Все зависит от человека. И мы очень благодарны нашему руководителю, заведующему лабораторией Владимиру Филаретову. В свое время мы стояли перед выбором, могли работать на других специальностях. Но Владимир Федорович оказал на нас объединяющее и направляющее воздействие. Сейчас мы понимаем, что занимаемся тем делом, которое приносит удовольствие, чувствуем поддержку. Если бы в науке было больше таких людей, которые могли бы так формировать коллективы, то все было бы у нас по-другому.

– Конечно, многих в науку влечет романтика. Но без формул и усидчивости от романтики мало проку, – считает Александр Коноплин. – Так можно сказать про все профессии. Чтобы стать первым, нужны долгие годы тяжелейшего труда. Представьте: Охотское море, судно, работаем с подводным аппаратом, погружение в 4 часа утра, всплытие – в 12 ночи. Аппарат возвращается на борт, обнаруживаются какие-то повреждения, затекания. Начинаем его чинить прямо на палубе. Группа инженеров лежит под этим аппаратом до 3 часов ночи, только ноги торчат со всех сторон. В такие моменты особенно сильно начинаешь ценить автоматизацию и научный подход в решении задач. Когда теория сопряжена с практикой, проще находишь верные пути и меньше совершаешь ошибок.

Оставить рутину роботам

В свое время СССР был одним из мировых лидеров в области робототехники и систем управления. Сегодня в России осталось не так много коллективов, которые успешно занимаются этим. Да и последние кризисные годы внесли неприятные коррективы: сократилось финансирование профильных федеральных программ, грядет сокращение финансирования институтов.

– Мы часто посещаем международные конференции, видим, сколько ученых из разных стран демонстрирует свои достижения, – размышляет Александр Зуев. – Естественно, у них больше возможностей создавать практические образцы своей техники. Эти возможности им зачастую предоставляют университеты. Мы же пока развиваемся в рамках федеральных целевых программ, грантов научных фондов и сотрудничаем с крупными предприятиями. Государство, бизнес, общество должны понять, что высокие технологии, развитие перспективных научных направлений – это и есть локомотив экономики.

Автоматизация легко накладывается практически на любую сферу жизни и быта: от беспилотных аппаратов до «умных» помощников по дому.

– Для чего делаются роботы? Во-первых, чтобы обезопасить человека, – говорит Александр Коноплин. – Убрать его из тех областей, где он может погибнуть. Во-вторых, человек должен заниматься творческой работой. Он не машина. Он способен мыслить, создавать. А рутину должны исполнять роботы. 

Александр Зуев

Сергей Петрачков, «Владивосток»