Фантастика про роботів vs реальність розробки робототехніки в Україні

Мене звати Любомир Демків, я виконую обов’язки очільника Robotics Group у SoftServe. Маю 18-річний досвід роботи програмістом та науковцем, переважно працюю над інтелектуальним керуванням, IoT, та робототехнічними системами.

Провідні наукові лабораторії світу наполегливо працюють над розвитком технологій, аби наблизити реальність, де роботи живуть поміж нас. Проте як би не намагався кінематограф переконати нас, що скоро роботи захоплять світ, реальний стан індустрії відстає на кілька десятків років від цього моменту.

Якщо вам цікаво дізнатися, як виглядають сучасні роботи і чому вони потрібні всюди, як поживає робототехніка в Україні в цілому та де навчатися створювати роботів, читайте далі.

Переконайтеся, що це — робот

Попит на використання роботів зростає з року в рік. Згідно з даними Міжнародної федерації робототехніки (IFR), у 2021-му продали на 27% роботів більше у порівнянні з минулим роком. Загалом по світу роз’їхалося 468 800 одиниць товару, що робить 2021-й найуспішнішим роком в індустрії робототехніки.

Але що таке робот? Якщо ви введете це слово у пошук, то на картинках вам покажуть щось з руками, ногами, і часто імітацією людського обличчя. Згідно з визначенням в ISO 8373:2012, робот — це механізм, який запрограмований у двох або більше осях та має певну ступінь автономності, і рухається у своєму середовищі з метою виконання призначених йому задач.

Так, більшість згадає відомих роботів-танцюристів від Boston Dynamics, але насправді список робототехніки набагато більший.

В Україні з’являється все більше компаній, які займаються роботами. Наприклад, Robotech розробляють роботів для сільського господарства та логістики, Deus Robots, з-поміж іншого, створює складських роботів для «Нової Пошти», DroneUA займається безпілотними рішеннями, Somatic з допомогою роботів-прибиральників дбає про чистоту в офісних приміщеннях, а Lunar Research Service створює супутники та бере участь у розробці робототехніки для космічних місій.

Особисто я дотичний до команди, яка розробляє дрони, мобільні платформи, роборуки, займається моделюванням з симуляцією та косимуляцією. А ще ми плануємо зазіхнути на космос, але про це далі.

Від теплиць до Марсу: де потрібна робототехніка

Robotics можна назвати напрямком, який займається DDD — dull, dirty and dangerous. Тобто там, де праця занудна, брудна або небезпечна, потрібні роботи. Але насправді таку діяльність можна знайти у всіх галузях: сільському господарстві, виробництві, нафтогазовій сфері, медицині, продажах та інших індустріях. Наведу лише кілька прикладів, де широко застосовують роботів.

• Сільське господарство. Аграрії, зокрема, використовують роботів, що працюють як в приміщеннях, так і надворі. Звісно, в першу чергу це роботи, які сіють, прополюють та збирають урожай. Однак сьогодні вони здатні стежити за цілими гектарами урожаю, турбуючись про кожну рослинку окремо.
• У медицині роботи можуть як виконувати надскладні операції, так і бути корисними в реабілітації.
• Автомобілебудування. Тут роботи можуть допомагати складати автомобілі, а також перевіряти якість збірки готових авто чи компонентів до них.
• В енергетичному секторі роботи можуть брати участь в інспекції вітряків, очищенні сонячних панелей та інших поверхонь, а також у загальному огляді енергетичних об’єктів.
• Логістика. У складських приміщеннях роботи часто використовуються для пакування товарів. Це пришвидшує доставку та зменшує кількість помилок, які могли б зробити люди.
• Фінанси. У банківській сфері роботи допомагають налагоджувати контакт з клієнтом, особливо у випадках обмеженої кількості персоналу.
• Виробництво. Роботи (роборуки) з’явились на виробництві ще у 1959 році. Сьогодні існують роботи, які можуть виконувати різноманітні задачі — від спостереження до перенесення вантажів.
• Космос. Роботи потрібні і за межами Землі. В Україні є кілька потужних підприємств, які працюють на космос — КБ «Південне» і «Південний машинобудівний завод», Spacebit, SpaceVR, американсько-українська компанія FireFly Aerospace та інші. Ми з командою також плануємо вийти на позаземну орбіту. В основному, будемо займатися супутниками, марсоходами та місяцеходами.
• Багато інших сфер. Роботи також можуть використовуватись при гасінні пожеж, доставці вантажів, перехопленні БПЛА порушників. Наприклад, цим ми займалися під час підготовки до конкурсу MBZIRC 2020 спільно з партнерами з Czech Technical University, що у Празі.

MBZIRC 2020

Як народжуються роботи

Нижче розповім про те, як взагалі з’являються роботи. Здебільшого процес розробки роботів виглядає наступним чином.

Починається він, як і зазвичай, зі стадії discovery чи design thinking workshop, за яким йде аналіз вимог до проєкту. Потім ми обираємо залізо. Саме на цьому етапі ухвалюється рішення, чи це буде мобільна платформа, чи дрон, скільки в робота буде рук чи лап тощо.

У ході розробки роботехнічних проєктів існують певні обмеження, адже ми не можемо застосовувати напряму agile підходи, коли говоримо про роботу з залізом. У готове залізо, як от мікросхему чи кисть роборуки, важко вносити зміни після його виготовлення. Класично, для розробки продуктів, що містять апаратну складову, застосовують V-Model. Однак через негнучкість цього підходу часто використовують її модифікацію, і застосовують V-Model до кожної окремої підзадачі після декомпозиції.

Далі ми дивимося, чи є необхідна апаратна частина на ринку за помірну ціну. Якщо так, то суттєво економиться час на розробку рішення. Однак, якщо знайти деталь не вдається, то команда інженерів-механіків розробляє дизайн роботехнічної системи з нуля, використовуючи підхід V-Model. Готові креслення використовують як для замовлення необхідних компонентів для ітеративного виготовлення прототипів, так і для того, щоб почати роботу з роботом в симуляції.

Робота з симуляцією є важливою складовою процесу розробки рішення. Адже, з одного боку, ціна робота є значною, і щоб під час тестування алгоритмів не пошкодити робота, перші тести варто проводити в симуляції. До того ж спершу через пандемію коронавірусу, а зараз через війну росії проти України ланцюжки поставок змінилися. Якщо вам доставлять роборуку за 3-4 місяці — ви щасливчики. Останнього разу на деякі компоненти ми чекали майже рік.

Крім того, проводити тестування рішень в симуляції значно швидше та дешевше, ніж в реальному житті. Серед симуляторів, з якими я працюю, можна виділити Gazebo та NVidia Isaac Sim, також CoppiliaSim (ex. V-Rep), monoDrive, Carla та інші. Крім того, маємо дещо інші види симуляторів — точних фізичних процесів, як-от Matlab та Modellica, але це вже зовсім інші історія.

В жодному випадку не применшую значення реальних тестів. Їх час настає тоді, коли апаратна частина зібрана докупи. Адже саме тоді можна доналаштувати алгоритми для компенсації різниці фізики симулятора та фізики реального світу. На словах це звучить дуже просто, однак в житті — це один з найскладніших етапів, адже тести на цей раз доводиться поводити в середовищі, де стохастику неможливо вимкнути, а отже впевнитись, що тест відбувся за тих самих умов, є важко чи неможливо.

Наступні кроки звичні для кожного проєкту: тестування системи загалом та розгортання на території клієнта. Тут треба враховувати особливості законодавства держав, де працюють клієнти, а також можливу сертифікацію рішення чи його частин.

Як долучитися до Robotics-індустрії в Україні

Robotics-проєкти завжди передбачають командну роботу. Для цього потрібні інженери-мехатроніки, software-девелопери, спеціалісти зі штучного інтелекту та Robotics Vision, ті, хто займається навігацією, дизайнери і багато інших.

Українські університети розвивають кафедри роботехніки або суміжні напрямки, хоча нам ще є до чого прагнути, у порівнянні з західними освітніми Robotics-програмами. Наприклад, у ВНЗ США та Канади є обладнані дослідницькі центри, в яких студенти вчаться від професіоналів і виходять job-ready спеціалістами.

Зараз у світі доступно понад 300 грантових програм з робототехніки та ще стільки ж пропозицій роботи для PhD в галузі робототехніки. До порівняння, в Україні є чимало кафедр, що викладають дисципліни дотичні до робототехніки, однак цілісний підхід до цієї теми відсутній. Так само докторські чи кандидатські дисертації зазвичай досліджують лише суміжні напрямки. Ця сукупність факторів сповільнює наш науковий прогрес у цій галузі.

Однак, позитивні зміни таки є і, сподіваюся, за кілька років ми будемо мати потужнішу галузь робототехніки як з точки зору бізнесу, так і науки.

Техкомпанії, що займаються роботами, потребують кваліфікованих спеціалістів. Один зі способів їх отримати — це допомагати університетам розвивати цей напрямок.

Наприклад, у Львівському національному університеті імені Івана Франка працює лабораторія з роботехніки, в якій є мобільні роботи та інше обладнання. Також цей напрямок активно розвивається у Львівській політехніці та Українському Католицькому Університеті.

Шлях, який треба подолати, щоб займатись робототехнікою, не є простим. Не існує тримісячних курсів, після яких ви зможете стати Robotics-інженером. Наприклад, у Львівській політехніці цьому навчають упродовж щонайменше чотирьох років.

Проте зараз працює багато спільнот, які займаються вивченням робототехніки у вільний час. Зокрема група ROS Ukraine, про яку вже є детальна стаття на DOU; активно роботами займаються і в Tech StartUp School. Крім того, можна згадати про численні онлайн-курси на EdX, Coursers, Udacity тощо. Завдяки цим курсам та практичному досвіду, що можна отримати у спільнотах, легше зорієнтуватися в напрямах і видах робототехніки, освоїти цей напрямок та в перспективі отримати цікаву роботу.

Чому роботи ще не скоро замінять людей

Хоча зараз робототехніка й на слуху, і в цій сфері ми бачимо постійний прогрес, нам ще далеко до того, що показують у фільмах.

Роборуки все ще мають надмірно багато кистей, щоб виконувати різні задачі. На відміну від людини, в робота немає однієї кінцівки, що могла б використовуватись для широкого кола задач. Також проблемою є матеріал, що використовується на «пальцях» роботів. Він має бути одночасно чутливим, довговічним і дозволяти втримувати речі. Людська шкіра регенерується протягом усього життя, а от відтворити таке в промислових масштабах людство поки не в змозі.

Проте питання не лише в залізі. Людині однаково легко взяти металеву гайку, пачку молока, хліб, сонячні окуляри та безе, а от для одного робота маніпуляція з такими різними об’єктами — це виклик. Йому потрібно ідентифікувати не лише об’єкт, який він має взяти, а також проаналізувати оптимальну траєкторію наближення до об’єкта та найкращий спосіб його взяти, щоб втримати, не розтрощивши. Зараз цю задачу роботи вирішують, замінюючи собі кисть в процесі роботи, однак поступ наукового прогресу невдовзі зможе подолати цей етап.

Ще однією задачею є здатність робота зрозуміти, де саме він перебуває. Наприклад, побачивши зубну щітку у квартирі, робот мав би припустити, що скоріш за все він у ванній. А от якщо на столі пакет молока, то, ймовірно, — це кухня. Ці завдання є тривіальними для людини, однак поки заскладними для роботів.

Загалом вважається, що роботи з легкістю справляються із завданнями, котрі може виконати людина з гарною університетською освітою, проте задачі, які може опанувати дитина, для роботів — нескорена вершина. Роботи, які вміють бігати, стрибати, повзати та кататись на велосипеді чи самокаті поки живуть лише у мріях їхніх розробників.

Так само роботам ще поки складно обійтися без участі людини. Зараз набувають популярності коботи (колаборативні роботи), здатні працювати разом з людиною без небезпеки нанесення травм оточенню. Це дозволяє ефективніше виконувати завдання.

У космосі на роботі чекає ще більше викликів, адже там поруч не буде людини, яка змогла б допомогти у скрутній ситуації. Роботам доводиться самотужки досліджувати орбіти різноманітних планет, шукати воду та корисні мінерали чи просто приносити зразки порід. Космічний бум уже почався. Великі перегони за місяцем — також. Цікавого нам всім перегляду, а декому й участі!