Интеллектуальная роботроника - решения для верхнего и нижнего уровней группового управления автономных мобильных роботов

За последние годы в развитии робототехники наметилось решение многих инженерных проблем; изо-бретение роботов различного назначения стало увлечением квалифицированных студентов и энтузиастов. В то же время остались проблемы осознания теоретических основ создания роботов, многократно повторяются решения задач среднего уровня - выбираются типовые микропроцессорные средства и на их основе строятся простейшие программы уклонения от препятствий, добавляются средства коммуникации с компьютером и получаются роботы телеприсутствия. Управление манипуляторами строится по алгоритмам жесткого исполнения фиксированных траекторий. Вместе с тем есть богатый опыт решения существенно более содержательных задач. Например, это работы научной школы академика Д.Е. Охоцимского, в которой с 1970 г. реализуются уникальные алгоритмы шагающих аппаратов и интеллектуальные высокоскоростные сборочные высокоадаптивные манипуляторы, работающие быстрее человека даже при очень низкой точности позиционирования [1]. Исследования проводились с 1974 г. с использованием компьютерного моделирования и c генерацией 3D-видео (разрешением 1024-1024), строились алгоритмы, опирающиеся на точные расчеты динамики движения сложных механических систем. В промышленной робототехнике МГТУ «СТАНКИН» был один из первых.

Работы по учебной робототехнике начались в 1980-е годы, были изготовлены и поставлены в университеты несколько мобильных роботов с бортовыми компьютерами и микропроцессорами. Например, на рисунке показан робот, созданный в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН и в ВоенМехе (сейчас это Балтийский государственный технический университет) [5]. Были реализованы две мобильные платформы: трехколесная (с 3-2 управляемыми степенями свободы) и четырехколесная (4 + 2 степеней свободы). На них устанавливался ультразвуковой локатор (72 панорамных направления измерений). Дополнительная полезная нагрузка доходила до 15-25 кг. Соответствующая методология и образовательные программы для таких мобильных роботов были созданы уже в 19851987 [5; 6, стр. 56-172, фото на стр. 62].

С 1991 г. в Международной лаборатории «Сенсорика» [4] часть этих работ получила существенную инженерную направленность и в дальнейшем объединилась с работами школы Венского технологического университета (TU Vienna) по автоматизации в машиностроении. На счету Laboratory In-telligent Manufacturing Systems из TU Vienna десятки реализованных уникальных заводов-автоматов. Сегодня сложился коллектив единомышленников, составивших Международную научную школу «Интеллектуальная роботроника» (основатели - профессор Б. Каталинич и В.Е. Пряничников). Раз-работки этого сообщества посвящены актуальным научным и инженерным аспектам интеллектуализации, автоматизации в машиностроении и мобильной робототехнике, в том числе по направлениям, представленным в номере: новые принципы скоростного адаптивного управления роботов и манипуляторов; интеллектуальные навигационные, информационно-измерительные и управляющие системы; распределенное управление и теория террайнов; интерпретирующая навигация и сетевые подходы к учебной робототехнике.

В становлении этих совместных работ решающую роль сыграла Российская инженерная академия [3], создавшая Научно-образовательный центр «Интеллектуальная роботроника» и Центрально-Европейское отделение Международной инженерной академии (МИА) со штаб-квартирой в Вене, которые объединили научно-внедренческие организации и университеты. Была инициирована работа ежегодной Международной докторской штудии DAAAM International Vienna [2] при старейшем в Европе основанном в 1396 г. Задарском университете в Хорватии, который при поддержке концерна Фесто помогает передавать опыт научных исследований молодым соискателям докторских степеней.

Предлагаемые читателю труды содержат наиболее актуальные проблемы и тенденции, разрабатываемые в рамках данной научной школы, включая инженерные аспекты интеллектуализации, автоматизации в машиностроении и робототехнике.

В номере рассматривается архитектура робототехнических комплексов и систем управления сервисных, подводных и специальных роботов, а также опирающиеся на эту архитектуру программно-аппаратные средства, которые составляют основу построенной для различных университетов сети ассоциированных исследовательских и учебных роботариумов-лабораторий. Рассматривается также разработка новых образовательных технологий, оценка и выявление слабых мест (предельных воздействий) в конструкциях мобильных роботов с манипуляторами.

Большое внимание уделено теории и практике построения навигационных алгоритмов мобиль-ных роботов, включая построение алгоритмов навигации по естественным ориентирам, опираясь на метрические/топологические особенности внешней среды - террайны и на особенности дальнометрических и других сенсоров, в том числе аккомодацию к некорректным показаниям некоторых датчиков. Интерес представляет также исследование принципиальной неустойчивости алгоритмов выбора пути в условиях неопределенности. Естественно, речь идет только об обработке данных в реальном масштабе времени.

Учебная робототехника - достаточно затратная область, а вместе с тем потребность в ней возникает даже в общеобразовательных школах. Выход состоит в создании систем коллективного пользования - сети ассоциированных лабораторий-роботариумов, в том числе на базе Международного института новых образовательных технологий (МИНОТ) Российского государственного гуманитарного университета (РГГУ), который при содействии научной школы «Интеллектуальная роботроника» предлагает эффективные решения для формирования интерактивной, креативной образовательной среды, опирающейся на современные IT-технологии. Такая отработка на практике цифровых трехмерных, катерных и аддитивных производственных технологий стала возможной с 2012 г., когда Департамент образования Москвы создал на базе крупнейших 19 московских вузов Центры технологической поддержки образования - своеобразные цифровые лаборатории, а в МИНОТ была создана экспериментальная площадка для исследования и внедрения инновационных цифровых технологий в учебный процесс.

В этом процессе активно участвует МГТУ «СТАНКИН», возглавляя робототехническое направ-ление. Именно поэтому мы также посвятили данный номер МГТУ «СТАНКИН», в связи с юбилеем этого старейшего технологического университета страны, одного из пионеров робототехники.

Представленные статьи частично поддержаны Задарским университетом в Хорватии, DAAAM International Vienna (Вена, Австрия), Международным институтом новых образовательных технологий РГГУ, МЛ «Сенсорика», и ИПМ им. М.В. Келдыша РАН (Москва, Россия), ЦЕО МИА (Вена, Австрия) в рамках Соглашения от 04.06.2014, а также грантами РФФИ № 13-07-00988а, № 13-07-01032а.