Ученый Благовещенского педагогического университета Александр Семочкин с командой единомышленников разрабатывает программы мелкой моторики для первого в России антропоморфного робота

2 июля 2018

«Интерес к робототехнике возник еще в студенческие годы. В Магаданском университете, где сначала учился, а потом работал, увлекся психологией. Пытался понять, каким образом мыслит человек. Существуют разные способы попытаться воссоздать этот процесс. Я выбрал метод построения математической модели, и дипломная работа была посвящена алгоритму, который мог использоваться в системе распознавания речи. В аспирантуре специализировался на математической теории распознавания образов. Эти направления очень близко связаны с робототехникой. Сейчас, когда компьютеры имеют маленькие размеры, аппаратную часть создают быстро. А при помощи математических моделей можно научить роботов думать, принимать решения, ориентироваться в обстановке. 

О конкурсе 

Всероссийский конкурс по разработке программного обеспечения автономного управления антропоморфным роботом объявил Фонд перспективных исследований. Этот Фонд основан по аналогии с американским агентством, занимающимся финансированием разработок, которые могут быть полезными в разных сферах жизни. 

Фонд совместно с НПО «Андроидная техника» по заказу МЧС реализует проект по созданию робота-спасателя Федора (FEDOR – Final Experimental Demonstration Object Research). В мире существует более двухсот антропоморфных моделей, в России Федор – единственный полноценный экземпляр, и участникам конкурса было предложено попытаться решить ряд задач по обучению его автономным действиям. Поучаствовать в его программировании – это все равно, что приложить руку к созданию ракеты в прошлом веке. 

В конкурсе участвовали 80 команд со всей страны. Несмотря на то, что наш вуз педагогический, у нашего коллектива есть опыт разработки программного обеспечения для роботов. Возможность попробовать запрограммировать отечественного антропоморфного робота стала настоящим подарком судьбы. Мы собрали все наши достижения и представили свою команду, в которую вошли студенты и аспиранты БГПУ. 

О заданиях 

Конкурс проходил в два этапа. Предложенные задания были просто фантастическими. Разрешалось использовать все, что посчитаешь нужным: любые программы, любые свои наработки, какие угодно методы, но робот должен был выполнить определенный порядок действий. Уровень высокий, поскольку подобными задачами долгое время занимаются целые коллективы ученых. Участникам же на решение давалось всего несколько месяцев. 

Фонд создал симулятор, который представлял в моделях все физические подробности Федора и характеристики физического мира, который его окружал. Протестировав симулятор, поняли: все наши имеющиеся наработки не применимы и, в июне прошлого года, когда начался конкурс, мы оказались в нулевой позиции. 

На первом этапе нам дали упрощенную версию симулятора, так как проходил отбор команд, способных управлять всеми узлами робота, получать информацию с датчиков. В четырех сценариях нужно было заставить робота выполнить по одному действию: соединить кабель с аккумуляторным блоком, установить крышку редуктора на корпус, снять коробку с тележки и уложить ее на полку стеллажа, открыть дверь внутрь и пройти дверной проем. 

Мы, не зная особо своих возможностей, записались на выполнение сразу всех задач, но это был июнь у студентов и аспирантов – пора экзаменов, защит курсовых, дипломов. Основная нагрузка выполнения заданий легла на меня. Большой опыт, как называю, экстремального программирования был. Не раз приходилось работать в режиме ограниченного времени. 

Быстро написал программу, позволяющую не в частном режиме решать какую-либо одну из задач, а применимую в каждом из четырех сценариях. Теоретически она работала, но на практике робот то падал, то трясся. Совершить качественный переход помогла младшая дочь. Попросил ее посмотреть в YouTube, как ходят роботы. Она пошагово прорисовала процесс, и мы с ней в этой модели попробовали заставить робота идти. Он перестал падать и пошел. С этого момента уже был уверен, что справлюсь. 
 

Об основном этапе 

В основной этап нас пропустили по всем сценариям, но мы выбрали один, так как задача невероятно усложнилась. Для выполнения дали полную версию симулятора. В ней предметы стали появляться случайно, добавились физические характеристики: нужно было научить робота видеть, дотягиваться до предметов, брать их так, чтобы они не падали. 

Сразу возникло много вопросов. Решение через поиск и адаптацию готового алгоритма не подходило, поэтому создавал свои варианты. К примеру, моя версия инверсной кинематики позволила указать точку в 3-D пространстве, чтобы Федор дотянулся туда рукой. Очень долго не мог заставить робота взять шуруповерт, и для этого действия была написана универсальная программа. Она позволяла распознавать объекты: он понимал, что перед ним – шуруповерт, и его нужно брать определенным образом, а это – болт, шестеренка и так далее. Постепенно Федор выполнил все необходимые действия. В конце оценил, что получилось, и показал большой палец. В апреле в номинации «Тонкая моторика манипуляторов» нашу команду признали лучшей. 

О лаборатории 

Лаборатория информационных технологий БГПУ, которую возглавляю, появилась в 2001 году. Создать ее заставила жизнь. Зарплата старшего преподавателя была совсем маленькой, и нужно было искать дополнительный источник дохода. На тот момент в вузе никто компьютерными технологиями не занимался, а у меня был опыт написания и продажи программ. Предложил ректору свой коммерческий проект – редактор расписаний занятий. 

Нашел напарника, и вместе с ним мы задачу выполнили. Тогда преподаватели компьютерами почти не владели, поэтому нужно было написать простую программу, чтобы пользователи нажали три кнопки и получили результат. Усовершенствованную версию редактора до сих пор используют для составления расписания. 

Потом писали программы, связанные с автоматизацией деятельности университета. Строили всю университетскую сеть. Создали внутренний и внешний сайты. Штат лаборатории расширился до трех человек. К работе мы начали привлекать толковых студентов, которые имеют возможность попрактиковаться, поучаствовать в решении сложных научных задач. Многие из них после окончания вуза работают в крупных российских и международных IT-корпорациях. 

Об Искандерусе 

В какой-то момент нам стало скучно заниматься только текущими вузовскими проектами, и мы начали постепенно приближаться к решению задач в области робототехники. Всегда стремился обкатать идеи, которые связаны с управлением роботами, их обучением. Нужна была физическая субстанция, которая могла бы влиять на окружающую действительность: поворачивать голову, двигать руками. Таким воплощением стал наш антропоморфный робот Искандерус. 

Нам удалось приобрести 3-D принтер, на котором напечатали детали для торса. Приобрели необходимые детали. Разработали программное обеспечение, в которое включили разработанные ранее систему распознавания лиц, синтезатор речи. Все это позволило «оживить» робота. Несмотря на это, через некоторое время стало понятно, что многие гипотезы на нем не проверишь. Из-за низкого качества комплектующих Искандерус оказался ненадежным. Не мог поднимать тяжелые предметы, постоянно выходил из строя. Оно и понятно, при ограниченном бюджете приходилось покупать дешевые китайские детали и материалы. 

К сожалению, сейчас финансирования университетом исследований в области робототехники вообще прекратилось. На гранты не можем особо рассчитывать, так как вуз у нас педагогический, а инвесторы предпочитают давать деньги профильным структурам. Сейчас у нас идет работа исключительно на энтузиазме. 

Об искусственных мышцах 

Четыре года назад прочитал публикацию в журнале Science про попытки создания искусственных мышц из нейлоновой лески. Они вполне бы могли заменить сервоприводы, которые в Искандерусе постоянно перегорали. Около года присматривался, думал, может, мышцы появятся в продаже. Но информация так и не появилась. 

Вместе с нашими физиками попробовали по технологии, описанной в журнале, скрутить собственные образцы. Получилось не очень удачно. Было понятно, что нужно менять подход к изготовлению. Позже связался с учеными из компании Neurobotics, которые тоже занимаются этой проблемой. Они поделились своими наработками. Оказалось, что у них тоже не совсем удачная ручная технология. 

Чтобы усовершенствовать процесс, спроектировал и собрал прибор, который сам скручивал мышцы. Причем, в отличие от американских исследователей, которые использовали нейлон, покрытый серебром, я изготовил мышцы из лески и проволоки, что удешевило процесс изготовления. 

В течение полугода проводил испытания мышц. В целом результатом остался доволен. В 2016 году свой опыт описал в статье, чтобы ученые познакомились с технологией, и получил приглашение в США на симпозиум, на котором рассматривалась проблема создания искусственных мышц. 

Интересно, что моя статья, оказалась востребованной, она скачивалась более четырехсот пятидесяти раз. Есть и те, которые на основе моих данных сделали аналогичный прибор. Возможно, кому-то удастся создать технологию, позволяющую запустить массовое производство искусственных мышц».