Робототехника в ВУЗах и проектная работа на базе ROBOTIS-OP
Продолжаем знакомиться с конструкторами ROBOTIS. Сегодня обзор робота Darwin-OP, который стал стандартной платформой, широко используемой ведущими техническими университетами мира.
За последние годы уровень развития науки и техники шагнул далеко вперед. Не исключение и робототехника, развитие которой неразрывно связано с любыми изменениями в различных технических отраслях, а так же с постоянным желанием человека упростить собственное существование. Еще недавно роботы воспринимались как плод фантазий писателей и кинематографистов, либо в качестве каких-либо промышленных устройств, абсолютно непонятных простому обывателю. С течением времени ситуация изменилась, и сегодня различные робототехнические устройства можно встретить на каждом шагу — роботы для уборки и охраны помещений, роботы для удаленного присутствия и презентационных целей, сервисные и коллаборативные роботы для выполнения рабочих операций в повседневной жизни человека и множество других.
Существенные изменения коснулись робототехники и в сфере образования. Вследствие резкого развития отрасли в целом, возникла потребность в соответствующих кадрах. Менее чем за 10 лет студенческие проекты по робототехнике, ранее имевшие уровень достойный ведущих технических ВУЗов, стали доступны для повторения школьникам и моделистам. Снижение возрастного порога вхождения в робототехнику связано с появлением множества средств макетирования роботов, готовых к использованию программно-аппаратных комплексов с открытой документацией и свободно распространяемого алгоритмического программного обеспечения. Благодаря этому, учащиеся, начиная с начальной школы, могут успешно макетировать модели роботов на базе разнообразных робототехнических конструкторов и любой доступной элементной базы. Соревнования по робототехнике и конкурсы творческих проектов подогревают интерес учащихся к этой сфере деятельности, но чаще всего увлечение робототехникой не переходит во что-то более серьезное, чем увлекательная внеурочная деятельность или какая-либо творческая активность.
В отличие от школы, изучение робототехники в ВУЗе требует принципиально другого подхода, выраженного в четко структурированном учебном плане, отражающем большинство необходимых компетенций приобретаемых учащимися, а так же в учебном оборудовании, позволяющем демонстрировать и изучать передовые достижения отрасли. Организация учебного процесса в ВУЗе в большей степени носит исследовательский характер, поэтому задачи макетирования и конструирования чего-либо отходят на второй план по причине того, что затрачивают слишком много времени. Поэтому в ВУЗах чаще всего применяются готовые к эксплуатации модели роботов или лабораторные установки.
С момента основания и по сегодняшний день компания ROBOTIS работает в тесной связи с передовыми техническими ВУЗами, а большая часть продуктовой линейки компании ориентирована на применение в научно-исследовательской деятельности, либо при профессиональном проектировании и производстве роботов. Наиболее известным решением является образовательный робототехнический комплект ROBOTIS-OP2, ранее известный как Darwin-OP и часто упоминаемый именно с этим именем.
Человекоподобный робот Дарвин
Darwin-OP представляет собой модель человекоподобного робота небольшого роста, а его название расшифровывается как «Dynamic Anthropomorphic Robot with Intelligence – Open Platform». Разработан Darwin-OP научно-техническим консорциумом, включающим авторов проекта со стороны компании ROBOTIS и ученых из университетов Virginia Tech, Purdue University,а так же University Pennsylvania.
Антропоморфный робот Darwin-OP (по новому ROBOTIS-OP) представляет собой человекоподобную модель высотой чуть более 45 см, включающую в себя 20 степеней подвижности суставов на базе сервомодулей Dynamixel MX-28T. Как и предшественник, обновленная модель ROBOTIS-OP2 обладает идентичной конструкцией, но все же имеет ряд аппаратных отличий.
Сравнение двух моделей робота не выявляет существенных различий. Новая модель отличается от предшествующей улучшенными параметрами бортового компьютера, измененным расположением внешних портов , а также типом и емкостью аккумуляторной батареи. Столь небольшие отличия нивелируют разницу между двумя поколениями робота, но в свою очередь делают новую модель более приспособленной к автономной работе, а значит применимой в робототехнических соревнованиях и исследовательской деятельности.
Поставляется ROBOTIS-OP2 в специальном кейсе в составе комплекта, включающего все необходимое для эксплуатации, хранения и оперативного ремонта. Простота и возможность быстрого ремонта, долговечность и доступность модернизации, пожалуй, являются важнейшими особенностями робота, позволяющими на протяжении долгого времени осуществлять эксплуатацию, не опасаясь за сохранность конструкции или какие-либо ошибки, способные привести к поломке робота. Все это делает ROBOTIS-OP2 одним из лучших решений для применения в технических ВУЗах, в образовательном процессе и научно-исследовательской деятельности студентов.
Проекты с использованием ROBOTIS-OP
Популярность робототехнической платформы ROBOTIS-OP в мире позволила появиться на свет множеству интересных проектов.
Студенты Computational Intelligence and Robotics Lab, Department of Electrical Engineering, National Taiwan Normal University научили робота преодолевать полосу препятствий в полуавтономном режиме. Управление роботом осуществлялось на уровне задач, большинство из которых он выполнял автономно, а переход между задачами осуществлялся по команде оператора. В процессе прохождения полосы препятствий робот ползком преодолел преграды на пути, взобрался по лестнице, перешел плоскости с разным наклоном и несколько уступов. В дополнение робот был оснащен захватным устройством для каждой из рук, с помощью которых он мог манипулировать объектами и передвигаться на руках по подвесной перекладине.
Разработчики UNLV (Университет Невады) специально для своего робота разработали модель паллетоукладчика, который управлялся роботом в полностью автономном режиме. Паллетоукладчик представлял собой мобильное шасси дифференциального типа, у которого каждый из двух ведущих приводов управлялся с помощью рычага, приводимого в движение роботом. Робот Darwin, практически как человек, усаживался в кабину паллетоукладчика и своими руками с помощью двух рычагов управлял движением мобильного шасси. Ориентация в пространстве и управление работой паллетоукладчика осуществлялось полностью в автономном режиме. Информацию об окружающей обстановке робот получал посредством системы технического зрения и самостоятельно принимал решения для выполнения поставленной задачи. Так же данная команда разработчиков научила робота передвигаться с переменной нагрузкой, перенося в каждой из рук по ведерку с водой, сохраняя стабильное положение и уверенную походку.
Инженер из University of Manitoba (Канада) разработал робота Jennifer и научил его играть в хоккей и кататься на лыжах. Робот Jennifer, ловко управляясь с хоккейной клюшкой, может вести мяч, отдавать пасы и поражать ворота шайбой, при этом балансируя и передвигаясь на коньках. Встав на лыжи, робот ловко спускает по заснеженным склонам, преодолевает уклоны и подъемы, автоматически осуществляет повороты при прохождении трассы.
Команда разработчиков из Drexel University научили своего робота управлять движением транспорта с рулевым управлением. Для этого была сконструирована мобильная платформа на базе IRobot Create, оснащенная рулевым колесом и двумя педалями для регулирования скорости движения. Осуществляя управление с помощью рулевого колеса, и регулируя скорость движения, робот автономно проехал по трассе , представляющей собой извилистую широкую черную полосу, опираясь исключительно на данные собственной системы технического зрения.
Коллектив из Purdue University разработал систему управления робота для автономной игры в гольф. Робот самостоятельно может выйти на игровое поле, обнаружить мяч и лунку, выбрать оптимальное положение и нанести удар с помощью клюшки.
Конструктор ROBOTIS-OP в образовании
На первый взгляд может показаться, что продемонстрированные проекты так же просты, как и зрелищные танцы человекоподобных роботов, чрезвычайно популярные среди учащихся школы и организаторов различных соревнований. Но это далеко не так и уровень сложности каждого из представленных проектов настолько превосходит любой из проектов на базе робототехнических конструкторов, насколько робототехнические соревнования DARPA могут отличаться от традиционных соревнований по школьной образовательной робототехнике. К слову, в последние годы тематика разработок и соревнований, проводимых при поддержке DARPA, сосредоточилась на решении практических повседневных задач с помощью антропоморфных роботов. Поэтому каждый из описанных выше проектов можно воспринимать в качестве первых этапов становления профессиональных разработчиков в наиболее перспективных областях робототехники. Быть может, через несколько лет, созданные новым поколением разработчиков роботы, выполняя задачи на очередных соревнованиях DARPA, перестанут падать, а в случае неудачного падения, смогут подняться и продолжить выполнение поставленных задач, перестав вызывать улыбки и насмешки зрителей.
Продемонстрированные выше функциональные возможности робота Darwin-OP (все же, до сих пор тяжело называть его по-новому ROBOTIS-OP2) открывают безграничные возможности для образовательного процесса в области робототехники. Среди основных направлений подготовки — изучение следующих тем:
- автоматизированный электропривод и ТАУ,
- кинематика робототехнических систем,
- динамика робототехнических систем со сложной кинематикой,
- методы управления манипуляционными роботами,
- инерциальные навигационные системы,
- методы сбора, обработки и анализа информации,
- архитектура систем управления робототехническими комплексами,
- алгоритмы автономной навигации, техническое зрение, распознавание и селекция объектов,
- методы управления, принятия решения, контроля выполнения задач.
Поскольку интерес разработчиков и пользователей сервисной робототехники растет в сторону антропоморфной робототехники, робототехническая платформа ROBOTIS-OP с каждым годом становится все более востребованной среди ученых и инженеров-разработчиков сервисных роботов.
К сожалению, в силу достаточно высокой стоимости, робототехническая платформа ROBOTIS-OP не так сильно распространена в российских ВУЗах. Несмотря на это, существует ряд коллективов в Москве, Казани, Томске, Санкт-Петербурге, успешно использующих данных роботов в образовательном процессе, исследовательской деятельности и для участия в международных робототехнических соревнованиях. Остается надеяться, что успехи данных коллективов будут развиваться, а число подобных команд будет расти.
Автор статьи — Алексей Пономаренко, инженер компании Прикладная робототехника.
