Карьера в робототехнике

Все статьи проекта Beyond Robotics
  Женщины в робототехнике
  Американский уголок: оборудование и работа над проектом
  Социоэкономические препятствия на пути к WRO
  Как пробить себе дорогу в соревнования по робототехнике?
  Как не-ученики НИШ попадают на олимпиады по 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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