Как построить лучшую лабораторию робототехники. Версия Евгения Магида

«Профессор Магид», «лаборатория Магида», «магистратура Магида» — эти словосочетания часто звучат в робототехнических кругах и даже СМИ. Недавно в очередной раз писали о проблемах робототехнического образования, последовало бурное обсуждение и неоднократно звучало: «Спросите в КФУ на робототехнике, там специалисты высокого класса, они знают проблемы и пути их решения». 

Нетипичный профессор

Два года назад Евгений Магид создал ЛИРС – новую Лабораторию интеллектуальных робототехнических систем в Высшей школе ИТИС Казанского федерального университета. До этого он создал и руководил лабораторией с таким же названием в Университете Иннополис. Еще раньше — работал в Университете Карнеги-Меллона и в Бристольском университете, учился в Технионе и защитил диссертацию в Университете Цукубы. Он свободно говорит на иврите, японском и английском. И вот, после 20 лет в Израиле, Японии, Великобритании и США, Евгений вернулся в Россию.

— Самое сложное — объяснить моим нынешним студентам, что разумнее планировать карьеру в России. Здесь сейчас столько возможностей, но они все равно смотрят на Запад.

Магид совсем не похож на профессора российского университета — ни внешне, ни методами работы. Ему немногим более 40. Он молод, по-спортивному подтянут, говорит спокойно и размеренно. В нем нет и доли процента от «сумасшедшего ученого» — только холодный расчет и жесткая дисциплина. На стене кабинета висит огромная фотография Путина, но не типичный портрет, а момент боя дзюдо.

— Путин меня вдохновляет. Когда мне кажется, что вокруг одни ***, иногда просто руки опускаются. Тогда я смотрю на Путина и думаю, что у него таких 146 миллионов, включая меня (смеется). При этом он не сдается и за 20 лет моего отсутствия в России смог изменить страну до неузнаваемости.

Евгений родом из Волгограда, там начинал учиться в бакалавриате до эмиграции в Израиль. До 2014 года в Казани он не был. «Поеду, посмотрю, что за город», — решил Магид, когда его настойчиво звали на встречу в Университет Иннополис. Уговорили. В процессе работы в Иннополисе его пытались переманить не только другие российские и зарубежные университеты, но и ведущие компании. Но выбор пал на Казанский федеральный университет.

— Все имеет значение и смотрится в комплексе — зарплата, соцпакет, рейтинги и история ВУЗа, отношение к нему в стране и за рубежом, есть ли готовая команда специалистов или возможность привести свою команду, вменяемое ли начальство. Все это вместе создает некую общую ценность организации. У КФУ она очень высокая. С нами хотят работать, вступать в коллаборации. Имя университета много значит.

Люди и железо

— Нужно оборудование и кадры. Многие ВУЗы хотят заниматься робототехникой, но не понимают, что без кадров это невозможно. Ко мне часто обращаются, просят прочитать лекции. Правда, обычно отказываются, узнав, что нужно выплачивать гонорар, а не в торжественной обстановке вручить благодарственное письмо. Но одноразовый курс лекций и не поможет получить достаточно компетенций, чтобы затем ВУЗ смог самостоятельно заниматься робототехникой. Конечно, на короткий момент такой курс приоткроет перед студентами «горизонты международной науки». Которые схлопнутся сразу после моего отъезда, если кто-то на месте, хотя бы с минимально необходимыми компетенциями, не будет ежедневно маленькими шажочками вести студентов дальше, к этому самому горизонту. Я говорю: «Присылайте студентов ко мне в магистратуру, потом талантливые ребята останутся в аспирантуре. Я подготовлю для вас кадры за 6-7 лет». Но в России все хотят быстро, «прямо сейчас», в идеале вообще «вчера». А так не бывает (смеется).

Суммарно у нас 12 спецпредметов по робототехнике — все лекции для студентов я и мои сотрудники читаем на английском. Я даже не знаю современных хороших учебников на русском языке, с которых можно было бы начать погружение в робототехнику. Самое значимое — на английском. Пока оно переведется на русский и опубликуется — отстанет лет на 10. Для некоторых студентов английский язык — проблема, но им повезло, что я и моя команда знаем русский. Студенты всегда могут нас попросить объяснить на русском, если им что-то непонятно по слайдам или объяснениям на английском. Ответы на домашние и экзаменационные задания мы также разрешаем студентам сдавать как на английском, так и на русском. В начале обучения многие студенты стесняются задавать вопросы или просить пояснений на русском, но мы постоянно им внушаем: не страшно признать, что что-то не поняли – страшно не получить необходимые в дальнейшем знания. Хотя некоторые наши студенты владеют английским настолько хорошо, что даже дискутируют с преподавателями и отвечают на экзаменах только на английском.

Когда открывалась Лаборатория интеллектуальных робототехнических систем, КФУ по списку Евгения Магида закупил роботов на 17 млн рублей. Теперь все они активно используются в обучении. По словам ученого, такого оборудования, доступного студентам, пока еще нет ни в одном ВУЗе России, «возможно где-то и стоят такие же роботы, но никто не допускает к ним студентов». Роботы у Магида разнообразны — от массовых Mindstorms до экземпляров за 4 млн рублей. Сотрудники и студенты рассказывают о каждом роботе в лаборатории, некоторых демонстрируют. Кажется, они делают это достаточно часто, гости и журналисты здесь не редкость.

В лаборатории 1 открытый и 5 закрытых коптеров. Они нужны для отработки взаимодействия роботов между собой, это могут быть поисково-спасательные операции, мониторинг лесного или сельского хозяйства.

Есть беспилотный автомобиль Аврора — пришел недавно, даже ящик все еще стоит рядом. Евгений говорит, что через два-три года они смогут тягаться с ведущими командами на Робокроссе. Для тренировок в соседнем здании оборудован полигон 5 на 7 метров.

Еще один российский экземпляр — мобильный робот «Инженер» нижегородской компании Сервосила. Этот робот используется в поисково-спасательных операциях, на завалах для обнаружения людей, для разминирования и разведки, тестировался в Пальмире. Он оборудован 4 камерами, может преодолевать препятствия, лестницы, спуски, есть захват. Для более продвинутого использования в лаборатории переделывают робота из дистанционного в автономного. Бакалавр Рамиль и магистрант Ауфар демонстрируют робота и то, как он строит карту помещения, — алгоритмы построения таких карт тоже разрабатывают под руководством Магида.

Робот PMB 2 испанской компании PAL Robotics используется для изучения взаимодействия роботов с людьми и с другими роботами. Внешне он похож на большой робот-пылесос, быстро передвигается и имеет симпатичный бело-оранжевый дизайн. Сверху на него приклеен QR-код — это проект студента лаборатории, цель которого — наблюдение за роботом с воздушного беспилотника и взаимодействие с ним.

— Я к этому роботу присматривался года четыре, прежде чем удалось его приобрести, — говорит Евгений. — Стоит он 3 млн 750 тыс. — взяли самую дешевую модификацию. Когда появится бюджет, проапгрейдим. Я надеюсь, в будущем этот робот позволит нам участвовать в конкурсах Горизонт 2020 совместно с европейскими ВУЗами, имеющими таких же роботов. Помимо собственно хорошего оборудования, покупка робота имела как раз цель — заход на Горизонт 2020.

Студенты лаборатории также активно работают с полноразмерным антропоморфным роботом AR601 от Андроидной техники — сейчас у нескольких магистрантов есть дипломные проекты по техническому зрению, передвижению и манипуляции с объектами. В лаборатории также есть два манипулятора KUKA:

— На этих роботах будут изучаться языки программирования промышленных манипуляторов. И вообще мы стараемся научить студентов не просто с ними работать на основе решения задач прямой и обратной кинематики, а работать с ними именно как с умными устройствами с использованием компьютерного зрения, — рассказывает Роман — научный сотрудник лаборатории.

Профессор Магид и его лаборатория не занимаются «железом», механикой. Все оборудование — готовое, оно необходимо для разработки и тестирования алгоритмов. Другими словами, в ЛИРС делают из красивого, но «мертвого», «железа» интеллектуальных автономных роботов.

Как устроена программа, и зачем в серьезной лаборатории Lego?

Обучение студентов Магид ведет в рамках направления «Программная инженерия». Есть бакалавриат, часть студентов которого проходят элективы в лаборатории интеллектуальных робототехнических систем — сейчас их около 20. И есть магистратура «Программная инженерия» с профилем по робототехнике, в ней обучается 10 студентов на коммерческой основе.

— Чтобы полностью закрыть качественными преподавателями полную программу, а не профиль, мне нужно больше специалистов. Я понял, что единственное, что могу сделать — воспитать своих специалистов. Со стороны брать не получается, потому что действительно стоящие специалисты-робототехники в России нарасхват, у большинства из них уже и так все замечательно — свои институты, кафедры и лаборатории или робототехнические компании-стартапы, а иногда и то и другое. Да и переучивать состоявшегося ученого, пытаясь привить ему свои взгляды на образование и научную этику, чаще всего оказывается сложнее, чем воспитать нового молодого специалиста, — говорит Евгений.

В обучении студентов активно используется Lego Mindstorms EV3. Когда мы пишем о Lego, то сразу получаем множество комментариев о том, что это способ зарабатывания денег, что это не серьезно даже для школьников, поэтому я, конечно, с особой тщательностью выспрашивала Евгения, зачем столько Mindstorms’ов.

— Lego мы раздаем студентам для практических занятий. В начале семестра студенты получают свой набор — один на двоих, носят его домой и работают так весь семестр. Они воплощают в Lego теоретические задачи из класса. Настоящих же роботов на всех мы раздать не можем. В защиту Lego скажу, что в Бристольском университете им пользуются очень активно, потому что при своей стоимости — это один из лучших вариантов обучения студентов. Мы же не можем подпустить студента сразу к роботу стоимостью 20 млн, потому что, если студент Lego сломает, то он пойдет и купит сломанные запчасти. Это недорого. К тому Lego можно программировать визуально, как это делают дети, а можно — на настоящем языке программирования. Сейчас для программирования мы используем leJOS, на прошлой версии — Lego NXT — использовали программное обеспечение Matlab.

— В каких учебных курсах используете Mindstorms?

— Lego у нас идет в первую очередь на бакалавриате в домашних заданиях, которые организованы в виде соревнований, второй и четвертый год обучения. Предметы называются «Введение в робототехнику» и «Основы робототехники», оба по одному семестру. Каждый год я меняю содержание предмета. Иногда немного, а иногда – кардинально. Например, в прошлом году «Введение в робототехнику» был про промышленные манипуляторы и преподавался в последнем семестре четвертого курса. А в этом году, учитывая опыт 2016-го года, я подумал: семестр короткий, всего 9 недель, манипуляторы достаточно глубоко освоить не успеем. К тому же, для некоторых студентов, впервые столкнувшихся с робототехникой, это может показаться довольно скучным, потому что полет их фантазии сильно ограничен: по условиям заданий, основание робота фиксируется в определенном положении в рабочем пространстве, и он должен выполнить какие-то задачи при помощи своего концевого инструмента. Поэтому в этом году на курсе «Введение в робототехнику» мы изучали мобильных роботов и планирование маршрутов, собирали не манипуляторы, а колесных и гусеничных роботов.

Основная цель этих вводных предметов – дать студентам возможность попробовать себя в робототехнике, без глубокого погружения в теорию и с большим количеством практических заданий на Lego, требующих продумывания и сборки механизма под конкретное задание, придумывания алгоритма выполнения задачи, программирования, тестирования и, не в последнюю очередь, умения работать в команде и договариваться с партнерами. Такие вводные курсы нужны, чтобы студенты прочувствовали на собственном опыте — придумывание алгоритма и кодирование занимает в сумме около 10% времени, остальные 90% — это тестирование и отладка алгоритмов под конкретного робота и конкретную задачу, переделывание механики, перерасчеты пороговых значений. Это главное, что они должны вынести из вводных предметов. И конечно же, командная работа — задания специально рассчитаны так, чтобы среднему студенту справиться с ним в одного было трудно. Когда студенты это поняли, можно давать доступ к настоящим роботам.

Второкурсникам, которых тема увлекла, вводный предмет послужит стимулом прийти в ЛИРС и писать дипломные по робототехнике. А для четвертого курса – это хорошая возможность познакомиться с магистерской программой по робототехнике и решить для себя, хочет ли он/она связать свое будущее с робототехникой.

— В магистратуре в первом семестре тоже используются Lego. Некоторых студентов знаю с бакалавриата, некоторых вижу впервые, поэтому все получают Lego и предмет «Введение в робототехнику» о промышленных манипуляторах, уже более насыщенный сложным материалом относительно бакалаврских предметов.

Во втором семестре магистратуры студенты учатся работать с датчиками, которые подсоединяются напрямую к компьютеру, и осваивают на практике алгоритмы технического зрения. То есть, получив в первом семестре теоретические знания в рамках спецпредмета по техническому зрению и небольшой опыт работы с датчиками Lego на «Введении», студенты получают постепенно все более усложняющиеся задачи, которые систематично приближают их к работе с уже серьезными робототехническими системами. Те студенты, у которых все получается нормально, получают доступ к другим роботам, в том числе к Robotis — их у нас 6 штук. На втором курсе магистратуры студенты, в числе других задач, будут программировать этих роботов для игры в футбол.

Мы учим студентов программировать с использованием ROS — робототехнической операционной системы. В первом семестре студенты учатся основам ROS и пишут собственные простые пакеты, во втором — создают более сложные системы, а в третьем – уже получают робота Robotis. Начиная со второго семестра студенты, изучив Lego, понимают, какие могут возникать проблемы с датчиками, контроллерами, приводами, и будут учитывать эти знания при программировании уже реальных роботов.

Высшее образование и научная лаборатория: версия Магида

— В России есть огромная проблема — образование не приносит доход университету. Цена бюджетного места сильно ниже, чем стоимость преподавателей, закрывающих это обучение. Еще и ВУЗ забирает приличный процент на содержание инфраструктуры и поддерживающих подразделений. Я пытаюсь сейчас выйти с предложением ввести хотя бы какие-то отдельные подходы западной системы, где образование является коммерческим продуктом – причем довольно дорогостоящим.

В моей лаборатории ЛИРС 20 бакалавров и 10 магистров. При поступлении в ЛИРС они подписывают личный договор со мной о том, что если они не выполняют мои требования, то я исключаю их из ВУЗа совсем. Я трачу на каждого студента очень много времени. С каждым студентом — встреча раз в неделю. Всего у меня четыре рабочие группы: роботы-гуманоиды (или антропоморфные роботы), поисково-спасательные роботы, группа по взаимодействию роботов и группа «другие», куда входят проекты, не попадающие под тематику трех остальных групп.

Дисциплина армейская. Еженедельные отчеты о проделанной работе, подсчеты баллов по нескольким критериям, выступления на семинаре, записи в научном дневнике. К концу первого семестра я их научил, что неправильное название файла или отправка файла на минуту позже срока — это ноль баллов.

Был один студент, он опоздал записаться ко мне на электив, ходил на другие предметы, но очень хотел ко мне. Я попросил сначала выслать мне резюме и мотивационное письмо на английском языке, дал ему 12 часов на это. Он выслал. Потом дал ему еще 12 часов — сделать первую домашнюю работу по этому курсу (то есть, фактически, по совершенно новому для него материалу) — он сделал. Потом я попросил его написать заявление на имя директора, почему он хочет перевестись, с подписью от родителей, что не возражают, что его могут выгнать из КФУ по результатам провала выбранного (моего) электива. Он все это собрал и в течение всего семестра старался больше всех. На днях я закончил проверку финального экзамена – а у меня все экзамены исключительно письменные – и этот студент набрал больше всех баллов.

Таким образом, когда есть цель и стремление ее добиться — возможно все. А когда нет достаточной мотивации, то даже если я свой мозг вырежу и засуну студенту в голову — все равно ничего не получится.

— В соревнованиях участвуете?

— Соревнования — это такая «прикольная фишка». Всем кажется, что соревнования — это круто, и нужно в них обязательно участвовать. Победа повышает узнаваемость ВУЗа. Студентам интересно опробовать на практике свои теоретические знания и выучить что-то новое. Все это верно, но по факту, соревнования для нас — это куча потерянного времени сотрудников, которые вместо выполнения научных задач будут курировать и организовывать подготовку команды и ее участие в мероприятии. Потерянный бюджет, который пойдет на поездку на соревнования, покупку каких-то запчастей и материалов, которые, зачастую, больше ни для чего не пригодятся и будут сложены на склад на вечное хранение после окончания соревнований. Студенты, которые пропустят плановые занятия и рискуют снизить свою успеваемость. При этом, мы не получаем никакие научные KPI за соревнования.

Например, мои бывшие подчиненные из другого ВУЗа участвовали в соревнованиях в Штатах, заняли второе место, получили денежный приз. Эта сумма окупила только непосредственно их поездку на соревнования. Но в проект, насколько мне известно, было вложено порядка 10 млн — и никто ни им, ни ВУЗу эти деньги не вернет.

Мы всегда рады принять участие в соревнованиях, которые проходят в соседнем здании. В крайнем случае – в Казани. Ехать куда-то в Москву, в Питер, в Томск, за рубеж с большой командой и своим оборудованием — это огромная головная боль. Для нас прямого научного «выхлопа» от соревнований нет. Соревнования нерентабельны для нас. Исключение — если есть надежные спонсоры. Поэтому мы потихоньку готовимся к RoboCup Rescue и RoboCup Soccer, используя уже имеющееся в ЛИРС оборудование. А поедем ли в итоге – зависит от руководства (ВУЗа) и спонсоров. Пока сыграли дружеский матч с Инженерным институтом КФУ по правилам RoboCup Soccer – мы выиграли со счетом 2:0. Следующий матч запланирован на конец июля.

— А задачи студентам вы ставите или они сами выбирают?

— У нас есть список интересных нам задач, которые делятся на несколько уровней сложности. Мы им показываем и поясняем – например, вот эта задача выполнима за год активной работы, но нужно не менее 3-4 раз в неделю работать в лаборатории, чтобы тестировать ее на роботе, и договариваться о совместном использовании робота с другими студентами. А эта – за два года, но без фанатизма с «железом», так как много времени ваша симуляция будет крутиться без вашего непосредственного участия, собирая статистику. А с этой – придется попотеть весь бакалавриат, включая выходные – зато она станет хорошим заделом для вашей будущей магистерской работы и даже может привести в аспирантуру. Они выбирают. Бывает, что 10 человек с одним роботом уже занимаются, тогда задачи с ним больше никто не получает.

На самом деле почти у всех получается так, что мы изначально ставим задачу, в процессе выполнения которой студенты находят что-то действительно интересное и важное. В таком случае мы не заставляем студента оставить в стороне свои «находки» и идти к первоначально поставленной цели, а с удовольствием уходим в побочную ветвь исследований или что-то дорабатываем — то есть интересные научные и прикладные результаты появляются в процессе выполнения первоначальной задачи. И если мы считаем, что в итоге первоначальная задача не выполнена в том виде, как мы с коллегами видели, она возвращается в список и ждет следующего заинтересовавшегося ею студента.

— А список исходных задач откуда взялся?

— Я и мои научные сотрудники и аспиранты — Роман и Артур, мы втроем сидели, собирали список задач. Каждый семестр мы обновляем список, и он постоянно растет. Причем задачи должны быть не только конкретными и четко описанными, но и такими, в которых мы являемся экспертами, чтобы профессионально курировать эти задачи. Чтобы не было так: «О, а вот было бы интересно на Марс робота запустить».

— Они как-то коррелируют с государственной политикой?

— Мы так сложно пока не делаем (смеется). У нас есть большой список задач, из которых имеет смысл что-то выбирать, что-то делать. Постоянно мониторим гранты, общаемся с компаниями-партнерами. Если есть какой-нибудь грант или интересный заказ: «О, у нас оказывается есть небольшой научный задел именно для этого конкурса», потому что студенты это делали. Если выигрываем грант, это превращается в большой проект, где работает не только один студент, а мы набираем команду, сами более активно участвуем, нежели просто руководим проектами и подсказываем. Студент у нас — это тот, кто создает много новшеств, задел.

— Каждая задача в списке завязана на конкретного робота?

— Задача завязана на конкретного робота и на конкретного руководителя. У нас пирамида: я, потом старшие научные сотрудники, дальше более младшие сотрудники — постепенно все получают кураторство. Выстраиваем такую пирамиду. Я контролирую все.

— Сколько задач в этом банке?

— Между 50 и 100, но список постоянно обновляется. Так, каждый младший сотрудник должен предложить 3-5 проектных тем, которые он/она хотел бы курировать. Старшие – готовят порядка 10-15 тем. Студент также может прийти со своей идеей. Мы ее обсудим и, если у нас есть достаточно экспертизы и это вообще можно сделать, вперед.

— Студенты справляются?

— Студенты они все разные, к каждому необходим индивидуальный подход. Несмотря на жесткие требования к дисциплине, мы даем студентам, и в бакалавриате, и в магистратуре, именно этот индивидуальный подход. Помогаем с подбором научных публикаций по теме проекта, подкидываем идеи, учим использовать роботов и научные инструменты, помогаем готовить публикации и готовиться к публичным выступлениям. Например, написание всех курсовых и дипломных работ сначала проходит несколько итераций студент — куратор, а в последнюю неделю перед сдачей готовой работы – еще 1-2 дополнительные итерации уже со мной лично. А иногда даже приходится выступать в роли частных психологов (смеется).

У студента есть возможность попробовать себя в ЛИРС в течение одного семестра. Если он не справляется, мы предлагаем перейти в другую лабораторию или даем ему второй шанс, но уже под страхом отчисления из КФУ за неуспеваемость. Конечно, если причина этой неуспеваемости не связана с нарушением дисциплины и имеет объективные причины, например, проблемы со здоровьем. Иногда, спустя несколько недель работы в ЛИРС, студенты уже сами понимают, что объективно не справляются и не справятся – и просят разрешить перевод в другие лаборатории, где требования помягче. Если в прошлом году среди таких «не справившихся» оказалось три человека, то в этом году только один студент попросил разрешение о переходе, а еще трое – не испугались попросить второй шанс.

— Почему, несмотря на все трудности, ЛИРС считается одной из самых привлекательных для студентов лабораторий Высшей школы ИТИС?

— Во-первых, привлекательность зависит от конкретных интересов (студентов). Если они осознанно хотят заниматься именно робототехникой – они идут в ЛИРС. Если они осознанно хотят заниматься каким-то другим направлением – они выбирают соответствующие профильные лаборатории. Но если они не определились и ищут себя, то, как мне кажется, их привлекает наша признанная экспертиза и репутация «серьезной, жесткой лаборатории».

Во-вторых, многие хотят погрузиться в атмосферу научной работы зарубежного образца – стать экспертами, научиться программировать реальные кибер-физические системы и готовить качественные научные публикации, научиться дисциплине и планированию. Пожалуй, два ключевых слова, которыми можно описать принципы нашей лаборатории – «дисциплина» и «качество». Другие преподаватели даже пугают своих отдельных особо нерадивых студентов «Пиши ВКР (выпускная квалификационная работа) как следует – если к тебе на защиту вдруг придет Магид, останешься без диплома!» — говорят, работает (смеется). К слову сказать, мои бакалавры и в 2016, и в 2017 защитились исключительно на оценки «отлично» — когда на предпоследнем слайде у каждого из них комиссия видела список из 3-6 публикаций в изданиях класса Scopus и Web of Science, часто даже никаких дополнительных вопросов студентам не задавали.

И, наконец, это наш индивидуальный подход к каждому, о котором я говорил раньше. И уважение. Мы очень уважаем своих студентов, и я обращаюсь к ним исключительно на «Вы». Любые наши решения и предложения по их проектам мы детально объясняем. Мы учим их не слепо подчиняться авторитетам, а не бояться отстаивать справедливость и свое мнение, и делать это аргументировано. Так, если в каком-то вопросе возникает сомнение (например, письменный вопрос на экзамене можно было понять неоднозначно) – мы всегда придерживаемся политики «студент прав, если невозможно доказать обратное». Мы даем им научную свободу и возможность предлагать и апробировать их собственные идеи. А они нам отвечают старанием и добросовестной работой, результаты которой со временем трансформируются в научные публикации и научные заделы, помогают нам выигрывать гранты и стартовать новые большие проекты.

Теги: headline, Евгений Магид, интервью, Казань, КФУ, лаборатория робототехники, ЛИРС КФУ, робототехника в вузе, экспертное мнение