[Beyond Robotics] Карьера в робототехнике

[Beyond Robotics] Карьера в робототехнике

Уже давно роботы существуют за пределами лабораторий: от автоматизированного пылесоса до беспилотников — роботы совсем рядом. Согласно отчету компании по статистике рыночных данных Statista, ожидается, что мировой рынок роботов будет расти примерно на \(26\)% каждый год и уже к \(2025\) году достигнет \(210\) миллиардов долларов. Беспилотные летательные аппараты, хирургические, промышленные и домашние роботы — множество крупных отраслей робототехники обретают все больше признания за последнее десятилетие. Вместе с признанием растет и спрос на квалифицированных специалистов, готовых к нестандартным задачам и инновационным решениям, — на робототехников.

Кто и как строит настоящих роботов? Чем они занимаются и что умеют? С чего начать свой путь в робототехнике? Ответы на эти и другие вопросы вы сможете найти в нашей статье, посвященной карьере в этой многогранной прикладной науке.

Роботы и робототехники

На первый взгляд робототехника кажется запутанной и сложной, а термин “робот” звучит размыто и чрезмерно обобщенно. Что же такое “робот” на самом деле?

Роботы — это системы и устройства, способные взаимодействовать с внешним миром и выполнять некоторые задания, для которых они предназначены. Под обширным “предназначением” понимается функция автоматизированной системы: “умная” конвейерная система выполняет сортировку товаров, а робот-собака может иметь функцию эмоциональной поддержки для хозяина. Разработка подобных механических систем (роботов), следующих зову своих научно-фантастических предшественников, объединяет электрические и механические компоненты с компьютерным производством.

Таким образом, машиностроение, электротехника и информатика — три науки, на стыке которых стоит робототехника, а за создание такой сложной и многослойной системы отвечают сразу несколько человек с разными квалификациями: инженеры-механики, инженеры-электрики, программисты, аналитики данных и многие другие. Каждый из них обладает самодовлеющей ценностью в производстве роботов различного назначения и сложности.

Междисциплинарность в деле

Чтобы понять, чем именно занимаются специалисты в робототехнике, давайте детально рассмотрим пример инклюзивного проекта Smart Pill Dispenser от команды MakersUPV, отражающего в своем устройстве многодисциплинарный подход робототехники. Smart Pill Dispenser представляет собой устройство, автоматически выдающее лекарства по заданному расписанию.

Продукт Smart Pill Dispenser. Источник: Arduino Project Hub

За таким, на первый взгляд, простым функционалом стоит огромный объем работы, проделанной целой командой из нескольких человек. Инженеры-механики MakersUPV напечатали корпус устройства и собрали механизмы сортировки лекарств в одну систему. Электрики создали электросхемы: именно они контролируют моторы, выдающие лекарства в нужное время, и регулируют коммуникацию между платами, которые затем передают данные в мобильное приложение. Затем программисты "оживили" всю ту электронику, внедренную инженерами-электриками в спроектированный механиками дизайн устройства, и разработали необходимые дополнения в виде мобильного приложения, веб-сайта и нейронных сетей. Хоть каждый член команды MakersUPV по отдельности создает разные компоненты робота, работают они не поодиночке, а в союзе, при этом не ограничиваясь только своей областью. Так, механик сообщает электрикам о местоположении двигателей и электрических соединений, а программисту нужна помощь электрика в преобразовании цифровых сигналов. Таким образом, все они взаимосвязаны точно шестеренки в механизме, работая в одном потоке.

Давайте поближе познакомимся с ролью каждого специалиста команды MakersUPV и узнаем, чем именно они занимаются, а также где и как учиться будущим робототехникам.

Механическая инженерия

Каждый инженерный проект начинается с создания прототипа (макета) — планирования дизайна и оформления чертежей, а инженер-механик занимается именно планированием и реализацией настройки внешней оболочки с внутренними механизмами. Несомненно, дизайн проекта зависит от его функциональности, ресурсов и поставленных задач. В случае с Smart Pill Dispenser проект ориентирован на пациентов с нарушением слуха, поэтому инженеру-механику необходимо было учесть данную особенность, чтобы на ее основе создать практичный дизайн коробки. Удобный дизайн значит больше, чем “красивая оболочка”; он — результат тщательного исследования эргономики устройства, прочности, стабильности, жесткости и текстуры поверхности.

Модель и макет. Источник: Yale Open Hand Project

На этом этапе разработки требуются эскизы и заметки. Важно, чтобы до печати инженеры-механики определили, какой материал они будут использовать для робота: в первую очередь, исходный материал должен быть прочным и долговечным. Как правило, после создания начального (сырого) прототипа с учетом подходящего материала (дерево, пластик, силикон, пластилин), изготавливается цифровая фотография. На каждом этапе производства плана или эскиза макета инженеры-механики сверяются со спецификацией и поставленными требованиями, корректируя свою работу.

Теперь пришло время изготовить несколько рабочих чертежей для производства прототипа.

Инженер-механик изготовил макет. Источник: UC San Diego News Center

Используя свой чертеж, инженеры команды MakersUPV обозначили все механизмы будущего макета проекта, пронумеровав их, чтобы собрать в одно устройство. После настройки внешнего вида модель отправляется на распечатку на \(3\)D-принтере.

Чертеж Smart Pill Dispenser от MakersUPV. Источник: Arduino Project Hub

Механики MakersUPV создали оболочку, но где так называемые “мышцы” робота — механизмы? Инженеры MakersUPV вдохновились традиционной системой распределения. Каждая часть девайса выполняет важную функцию для всего робота: первый компонент поддерживает устройство, третий защищает лекарства от влаги и перепадов температуры, а одиннадцатый служит контейнером для лекарств. В ходе работы над Smart Pill Dispenser, инженеры особенно позаботились о двигателях и передачах, чтобы получить необходимые движения от робота — сортировка лекарств по слотам и их выдача.

Стоит признать, список обязанностей немал! Все это — лишь маленькая часть того, что требуется от инженеров-механиков в робототехническом проекте. На \(2021\) год Американское общество инженеров-механиков (ASME) насчитывает \(37\) технических подразделений: от передовых энергетических систем и аэрокосмической техники до твердотопливной и текстильной технологий, где основной составляющей каждой отрасли является решение прикладных задач на основе инженерных моделей (конструирования).

Несмотря на широкое назначение их работы, все инженеры-механики должны владеть определенными навыками:

  • Строить \(3\)D-модели в CAD-системах (AutoCAD, Fusion \(360\), Solidworks). До распечатки макета важно планировать прототип робота в CAD, чтобы обсудить внешний дизайн, выявить недостатки модели и представить в удобном формате чертеж.
  • Создавать дизайн макета будущего робота. Макет должен быть не только привлекательной оболочкой для целевой аудитории, но и долговечным устройством. Несмотря на функциональность чертежа, создать макет, отвечающий всем требованиям, занимает много времени, а сам процесс трудоемкий.
  • Проводить анализ структуры материалов для макета. Подобрать прочный и дешевый материал для продукта крайне непросто, поэтому для этого часто приглашаются специалистов в области материаловедения.
  • Оценивать результаты испытаний и при необходимости корректировать конструкцию макета. Прежде чем вывести любой продукт на рынок, инженер-механик должен минимизировать все возможные неполадки в работе устройства, а также объективно оценить его эффективность.

Приобрести эти навыки и теоретические знания можно во время обучения в университете по специальности Mechanical Engineering или Industrial Engineering. Многие высшие учебные заведения по всему миру предлагают изучить эту специальность на факультетах: Mechanical Engineering (MIT в США), Industrial Design Engineering и Aerospace Engineering (Delft University of Technology в Нидерландах), Mechanical Engineering (National University of Singapore в Сингапуре), и фундаментальной физико-химической инженерии (МГУ им. М.В. Ломоносова в России).

Тем не менее нет лучше способа развить инженерные навыки, чем оказаться в среде, где эти навыки востребованы, — работа над своими проектами, включающими конструирование и разработку дизайна робота, отлично поможет научиться всему на практике. Поработав над разными проектами и собственным портфолио (веб-сайт или документ с примерами вашей работы), со временем вы сможете устроиться в больших компаниях, нуждающихся в профессиональных инженерах-механиках: NASA, Tesla и Boston Dynamics — досягаемы!

Электротехника

Пока корпус печатается, электронщики MakersUPV работают над схемотехникой устройства, чтобы оно могло распределять лекарства по разным секциям коробки с помощью автоматизированных моторов. Инженеры-электрики не только разрабатывают электросхему, но и пишут функциональный код на языке С для плат Arduino — небольшой платы с собственным процессором и памятью.

По требованиям проекта Smart Pill Dispenser также необходимо передавать данные через Интернет (Internet of things), для чего инженеры-электрики используют специальные платы. Smart Pill Dispenser оснащен функцией отправки данных о приеме лекарств напрямую лечащему врачу, для этого электрики настраивают протокол коммуникации между платой и веб-сайтом.

Напоследок, инженеры MakersUPV связывают схему с моторами, установленными инженерами-механиками, чтобы они работали именно в определенный период времени, когда лекарства должны выдаваться пациенту.

Схема Smart Pill Dispenser. Источник: Arduino Project Hu

Таким образом, можно заметить, что инженеры-электрики работают над широким спектром компонентов, устройств, систем, микрочипов и двигателей. Сегодня инженеры-электрики все больше полагаются на системы автоматизированного проектирования (САПР) при создании схем компоновки. Компьютерное моделирование же позволяет смоделировать функционирование электрических устройств и систем, начиная от национальной энергосистемы и заканчивая микропроцессором. Неудивительно, что электрики являются инженерами и программистами в одном лице: их многосторонняя работа — союз разума и руки.

Инженер электрик за работой. Источник: Gajraj Singh Polytechnic

Электрики могут найти себя в таких сферах, как энергетика, инженерия управления, микроэлектроника, обработка сигналов, приборостроение, компьютерная и телекоммуникационная инженерия.
В электронной инженерии есть ряд определенных навыков, которые точно пригодятся при работе в робототехническом проекте:

  • Уметь обрабатывать цифровые сигналы. Часто инженер-электрику необходимо переводить аналоговые сигналы, полученные с датчиков, в цифровые, чтобы представить в цифровом виде и хранить все сигналы (Wi-Fi, мобильный телефон, аудио, видео, изображения) в режиме реального времени.
  • Иметь глубокие знания и четкое понимание работы Интернета вещей (Internet of things). Не только наши смартфоны и ПК могут работать с Интернетом: подключив даже простые устройства к Интернету, инженеры-электрики могут расширить их функционал. Так, шагомер может синхронизировать данные с телефоном в ту же минуту благодаря Интернету вещей.
  • Программировать платы. Значимую часть работы инженер-электрик посвящает программированию микроконтроллеров, чтобы те работали в тандеме с другими транзисторами и резисторами в электросхеме.

Для инженеров-электриков доступны множество подходящих специальностей, предлагаемых большим числом университетов: факультет Electrical Engineering в Stanford University в США, Electrical Engineering в Korean Advanced Institute of Science and Technology в Южной Корее, факультет Electrical and Computer Engineering в Carnegie Mellon University в США, и факультет оптико-электронного приборостроения в Московском Государственном Техническом Университете имени Н. Э. Баумана.

Однако ознакомиться с электротехникой можно раньше, даже имея лишь ноутбук у себя дома: отличным началом послужит курсы Arduino от Beyond Robotics на платформе Школа. С простым набором Arduino вы можете с легкостью начать собственные проекты, применив на практике навыки в электронной инженерии. Дальше дело за вами: опытный и высококвалифицированный инженер-электрик сможет найти место и в маленьких стартапах и даже в компаниях-гигантах, как General Electric, Intel или Apple.

Программирование

Разработчики команды MakersUPV связали электронную и механическую части проекта (hardware) с мобильным веб-приложением для отслеживания приема лекарств согласно составленному расписанию. Как конечный продукт, веб-сайт проекта обладает широким функционалом: установка и введение информации о пациенте и принимаемых медикаментах, необходимой дозировке и временном интервале. Программисты соединили все базы данных проекта и обработчики событий (функции, которые следят за действиями пользователя, например, нажатие кнопки) через сервисы Amazon Web Services. По сути, связав hardware и software, программисты расширили возможности устройства, чтобы людям было доступно веб-приложение для удобного пользования.

Мобильное приложение проекта Smart Pill Dispenser. Источник: Arduino Project Hub

Конечно, не все программисты занимаются установкой протокола обмена информацией между платой и мобильным веб-приложением. Как правило, задачи программистов варьируются от проекта к проекту и полностью зависят от их требований. Так, при создании автономной машины не обойтись без машинного зрения для определения объектов: дорожных знаков, других машин, людей. В компаниях, которые занимаются девайсами, имитирующими человеческую речь, крайне необходимы люди с соответствующим опытом в сфере NLP (Natural Language Processing). Таким образом, задачи робота определяют навыки программирования, которые требуются от разработчиков.

Распознавание объектов с помощью камеры. Источник: Towards Data Science

В робототехнике все программисты от аналитиков данных до full stack developer-ов горячо приветствуются. Перечень таких вакансий всегда можно найти практически в любых компаниях и больших корпорациях: Intel, Anybots и Canvas Technology не исключение.

Перед устройством на работу, однако, никак не обойтись без важных навыков для каждого программиста:

  • Исследовать соответствующие алгоритмы машинного обучения, так как рекомендации по использованию некоторых алгоритмов зависят от вида данных, скорости компьютера и желаемых результатов.
  • Разрабатывать приложения машинного обучения. Опираясь на техническое задание, инженер ИИ эффективно использует данные и предоставляет модель машинного обучения для пользователей.
  • Работать в тесном контакте с инженерами-электриками и другими членами команды робототехников. У робота, как у человека, все системы органов должны быть связаны для отлаженной работы всего организма.

В современных реалиях выучиться на хорошего программиста еще легче, ведь бесконечное множество университетов предоставляют огромный выбор предметов по этой специальности. Например, факультет Computer Science, Data Science, Informatics предлагается в University of Michigan в городе Энн-Арбор в США. Для желающих получить отечественное образование есть возможность учиться в лучших вузах страны как и на инженера, так и на программиста: в Назарбаев Университете на факультете Computer Science, Mechatronics and Robotics, в Сулейман Демирель Университете на факультете информационных систем и компьютерных наук, а также в Аstana IT University на факультете Software Engineering, Big Data Analysis, Industrial Automation. Из-за тесной связи инженерных и компьютерных наук часто можно встретить междисциплинарные специальности. The University of Tokyo имеет смежные степени бакалавра в Information Science и Mechano-Informatics, а Московский физико-технический институт знаменит факультетом информатики и вычислительной техники.

Чем удобна и незатейлива профессия программиста, так тем, что все необходимое у вас под рукой: Интернет и ноутбук. С ними вы можете получить опыт на множестве удаленных стажировок и онлайн-курсов вроде Яндекс Практикум или абсолютно бесплатно на курсе по Python для начинающих от Beyond School. С должным желанием и дисциплиной каждый может заниматься полезными проектами в самых разных отраслях, как это сделала команда MakersUPV, пробуя решить задачи по отдельности или же как единое целое.

Как видите, найти свое место в робототехнике не так уж и сложно, ведь робототехника — весь современный мир.

Заключение

Работая в союзе с первоклассными механиками, электриками и программистами, команде MakersUPV удалось создать удобное устройство с полностью автоматизированным механизмом работы для людей с инвалидностью. Примечательно, что большую часть различных проектов по робототехнике объединяет одна отличительная черта — они комплексны и многослойны, а для их создания нужны знания и навыки множества людей из разных областей.

На примере проекта Smart Pill Dispenser мы убедились, что робототехника — это мультидисциплинарная отрасль, объединяющая разные науки, и ей нужны такие же разные люди. Робототехники вовсе не универсальные люди XXI века, разрабатывающие все компоненты в одиночку; все же именно они — разные, но работающие вместе, — определяют будущее многих индустрий, того, как все создается и транспортируется, как люди взаимодействуют с окружающей средой, как устроены технологии, способные изменить привычную жизнь всех людей на планете. С помощью робототехники люди могут менять наше общее будущее, и это будущее нуждается в ваших способностях.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов в рамках проекта «Beyond Robotics» при поддержке государственно-частного партнёрства «Шеврон» и Посольства США в Казахстане.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова