Робототехническая практика для студентов

Весной 2021 г. Институт опережающих технологий «Школа Икс» Донского государственного технического университета вступил в коммуникацию с ЗАО «Бастион» — российской научно-производственной компанией, которая занимается разработкой, производством и поставкой источников бесперебойного питания, стабилизаторов, сетевой защиты и другого электротехнического оборудования. «Бастион» серийно выпускает более 450 моделей устройств и постоянно ищет новые ниши в создании продукции.

По результатам первой встречи на производстве ЗАО «Бастион» были определены главные векторы развития компании и ее намерения в рамках совместной работы с образовательными структурами университета. Одним из таких векторов стала организация экспериментального отдела с командой разработчиков по созданию полностью отечественного продукта в области сервисной логистической робототехники. Компания хотела не только решить свои проблемы в области внутренней логистики на производстве, но и выйти с результатом разработок на рынок, чтобы помогать промышленникам в России автоматизировать перевозки компонентов внутри предприятий.

Первым из множества шагов к партнерству вуза с ЗАО «Бастион» стало проведение практики для студентов на предприятии и предварительная оценка качества образовательного пространства. Для этого с обеих сторон были определены исполнительные лица, одинаково заинтересованные в достижении результата.

По итогам первого месяца совместной работы были выделены положительные и отрицательные стороны образовательной программы, на основе которых партнеры договорились о совместной реализации образовательных модулей профильного направления «Робототехника» под задачу проектирования логистического робота для нужд ЗАО «Бастион», с привлечением сотрудников предприятия в качестве экспертов.

В осеннем семестре 2021/2022 учебного года с участием руководителя отдела разработок компании ЗАО «Бастион» были реализованы образовательные модули “State Machine” и “SLAM”. Благодаря этому студенты получили компетенции проектирования роботов (в части электроники и программирования) и применения методов построения картографии и локализации для создания логистических роботов.

Для качественного проведения обучения компания предоставила материальное обеспечение в виде набора комплектующих и организовала встречи студентов с экспертами, которые поделились опытом производства электронного оборудования и программирования систем управления. В набор комплектующих, предоставленный компанией, вошли:

• 9″ ЖК-дисплей (2560×1600, 2K, IPS, с поддержкой портов и разъемов Raspberry Pi Jetson нано-ПК);
• глубинная камера Intel RealSense D435;
• лазерный сканер RPlidar A1 (360-градусное сканирование Lidar, радиус 12 м);
• набор NVIDIA Jetson Nano A02 для вычислений искусственного интеллекта (с поддержкой PyTorch, TensorFlow Jetbot);
• модуль камеры Raspberry Pi 5 МП (камера инфракрасного видения);
• компьютер Raspberry Pi 4 Model B (4 Гбайт ОЗУ, двойной вентилятор, алюминиевый чехол, источник питания 5 В, 3 А, 64 Гбайт, видеокабель для карты RPI 4);
• программатор ST-Link V2 Mini STM8 STM32 для загрузки с крышкой A41;
• аккумуляторные батареи Li-Ion SKAT i-Battery 12-7 LiFePo4;
• понижающий преобразователь постоянного тока CC (9 A, 150 Вт, 300 Вт, 5–40 В);
• водонепроницаемый стробоскоп с сигнализацией безопасности 24 В;
• драйвер трехфазного мотора;
• 6-дюймовый мотор ebike DC (250 Вт, 24 В, хаб, бесщеточный мотор).

Обучение проводилось в сопровождении руководителя отдела разработок ЗАО «Бастион» по методу SCRUM с моделью прохождения от одного недельного спринта к следующему. Весь образовательный процесс был реализован в кампусе Донского государственного технического университета, однако для работы над проектом студенты неоднократно посещали производство компании ЗАО «Бастион» (тоже расположенное в Ростове-на-Дону). Во время встреч с сотрудниками предприятия студенты погружались в проблематику поставленного технического задания, знакомились с производственным оснащением и обсуждали гипотезы исполнения проектного решения.

Над обозначенными во время курсов задачами работали три команды студентов третьего курса, которые в итоге представили свои решения в рамках публичных защит (рис. 1) с участием собственников компании «Бастион» [1].

Рис. 1. Промежуточные защиты прототипов логистического робота

В рамках работы над логистическим роботом студенты не ограничились выполнением технического задания и провели аналитическое исследование существующих технологий и решений в области сервисной робототехники, а также возможностей выхода молодых команд на рынок за счет сотрудничества с компаниями разного уровня [2]. Благодаря этому компания еще больше убедилась в необходимости выхода на рынок логистических роботов, что, в свою очередь, подогрело интерес ЗАО «Бастион» к партнерскому взаимодействию с университетом.

Неотъемлемой частью работы над логистическим роботом было принятие решения по разработке промышленного дизайна. Подготовку студентов к такой работе обеспечили образовательные модули «От рисунка до 3D-модели робота» и «Технология производства» под руководством преподавателей-практиков из Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Студенты получили компетенции проектирования внешнего вида робота с учетом всех технологических особенностей реального промышленного производства. В результате команды смогли визуализировать внешний вид изделий, соответствующий потребностям заказчика и принципам промышленного дизайна (рис. 2).

Рис. 2. Концепция внешнего вида конечного изделия

После презентации трех прототипов логистических роботов предприятие-партнер выбрало один из проектов для создания опытного образца. Для доработки проекта и стимулирования студентов, вовлеченных в создание опытного образца, предприятие выделило специальный фонд. За четыре месяца команда изготовила более 65% деталей на производственных мощностях ЗАО «Бастион» и на данный момент уже приступила к отладке програм­много обеспечения.

Сегодня опытный образец логистического робота SCATERS (рис. 3) обладает следующими техническими характеристиками:

• габариты: 500×700×910 мм;
• масса: 17,5 кг;
• грузоподъемность: 10 кг;
• клиренс от уровня пола: 2 см;
• максимальный угол отклонения, преодолеваемый роботом: 5 градусов;
• навигация происходит за счет смешанной системы управления на основе пятиканального аналогового датчика линии (собственной разработки) и инкрементальных энкодеров;
• интерфейс управления для запуска задания транспортировки груза выполнен в виде 9″ ЖК-дисплея;
• защиту от столкновений и предупреждение о препятствиях на пути следования робота обеспечивает система сенсоров парковочного радара Takara TPS-200 (с использованием звуковой и световой индикации);
• аккумулятор 40 В Li-Ion позволяет роботу функционировать в течение 2,5 ч бесперебойной работы; в момент снижения заряда до 30% робот подает сигнал о низком заряде, а также автономно отправляется в зону станции заряда.

Рис. 3. Опытный образец логистического робота

Сейчас идет доработка програм­много обеспечения системы навигации робота — на основе использования технологий либо RPlidar A1, либо глубинной камеры Intel RealSense D435.

Подводя итоги: партнерство компании с университетом позволяет разработчикам не просто отдать заказ на НИОКР, но и самим активно участвовать в процессе создания продукта, работать с новым поколением сотрудников со свежим взглядом и уникальными компетенциями для реализации сложных систем. Университет, в свою очередь, получает качественную обратную связь, плотное сотрудничество с промышленной индустрией, а также экспертную, практическую и ресурсную поддержку в реализации своих образовательных программ. Результатом такой партнерской синергии между университетом и предприятием является востребованность студентов на рынке еще до окончания их обучения. Уже на третьем курсе они получили предложения пройти практику в нескольких крупных компаниях.