Путь в науку

― Программирование интересовало меня еще с детства ― но не в плане разработки компьютерных программ. Хотелось понять, как с его помощью можно управлять объектами в физическом мире. Поэтому после школы решил развиваться в этом направлении и выбрал ИТМО: в университете были сильные программы на стыке техники и программирования, да и вуз уже тогда был известен благодаря высокому уровню подготовки олимпиадников. В 2008 я поступил в бакалавриат «Автоматизация управления», а затем окончил магистратуру по новой тогда программе «Робототехника» — она объединяла всё, что мне нравится: программирование, электронику и создание машин.

Наукой я заинтересовался как раз в магистратуре: на первом курсе мой научный руководитель и нынешний декан факультета систем управления и робототехники Антон Александрович Пыркин пригласил поучаствовать в гранте по адаптивным системам управления. В этом проекте нужно было исследовать, как управлять судном при сильных волнах и ветре, которые сбивают его с курса. В итоге мы разработали адаптивную систему, которая оценивала амплитуду и частоту качки и компенсировала внешние воздействия — чтобы судно оставалось в определенной точке и его команда могла, например, собирать пробы воды или совершать другие действия. Для тестов мы построили собственное 40-сантиметровое роботизированное судно. А позже обменялись опытом с Норвежским университетом NTNU: они протестировали наши алгоритмы в своей лаборатории.

Тогда я понял: наука может быть не только увлечением или частью занятий в университете, но и полноценной карьерой, которая приносит деньги. После я не раз продолжал участвовать в грантах ― в том числе разрабатывал робототехнические системы для сторонних заказчиков.

После магистратуры хотелось продолжать заниматься наукой, поэтому поступил в аспирантуру и защитил кандидатскую диссертацию. Остался работать на факультете: сначала как постдок, потом научный руководитель. Всё сложилось естественно — в коллектив постоянно приходят молодые специалисты, и я начал учить их тому, что знаю сам, чтобы вести исследования вместе.

Роботы без интернета и в непредсказуемой среде

― Наша научная группа проектирует, разрабатывает и тестирует робототехнические системы. В частности, мы создаём системы управления для мобильных роботов.

В последние годы процессы на предприятиях сильно усложнились ― сейчас индустрии нужны более функциональные роботы. И мы как раз работаем над тем, чтобы превратить промышленных роботов-манипуляторов (обычно они жестко зафиксированы на основании и могут работать только вокруг себя) в мобильных — способных передвигаться по поверхности. Это даст более универсальных роботов для разных задач: например, чтобы они могли забирать заготовки деталей, отвозить к станку, забирать готовые изделия и отправлять на следующий этап — очистку, полировку или покраску.

Чтобы решать эти задачи, работаем в двух направлениях:

Механика: изготавливаем всенаправленную конструкцию ― чтобы робот мог двигаться во все стороны, преодолевать препятствия и взаимодействовать с оборудованием.

Программирование: создаём алгоритмы, чтобы понимать, какие внешние воздействия влияют на систему управления роботом, как их компенсировать, как собирать данные об окружающей среде и учитывать их в работе системы, как точно позиционироваться. Также важно учитывать возможности доступной электроники — чтобы встроить в нее наши алгоритмы.

Кроме того, мы не только создаем системы управления для роботов, но и сами устройства — точнее, их части. Обычно берем готовые промышленные манипуляторы, которые позволяют решать минимум задач, и к ним разрабатываем новое ПО, механическую оснастку и электронику, а также ищем новые области применения роботов.

Проекты

Над проектами научной группы в том числе работают мои аспиранты.

Механическая мобильная платформа для промышленного робота-манипулятора.

В классическом подходе роботизации мобильный робот либо должен перемещаться в помещениях без людей, либо полностью останавливаться при появлении человека в видимом горизонте. Мы же разрабатываем мобильную платформу, которая позволит роботу передвигаться в пространстве безопасно для окружающих. В основе идеи ― особая конструкция с деформируемым корпусом. Незначительная деформация незаметна глазу, но позволит точнее собирать информацию о взаимодействии платформы с окружающей средой. Также мы внедряем специальные датчики и разрабатываем алгоритмы обработки сигналов с них. Таким образом, платформа сможет «чувствовать» присутствие человека — это сделает робота-манипулятора безопасным для людей, поможет корректировать положение манипулятора и обеспечит более точное позиционирование. Сейчас проект на стадии фундаментального описания принципов конструкции, разрабатывается лабораторный образец.

Алгоритмы для оценки параметров окружающей среды. Наша цель — обеспечить работу робота в неизвестной среде и «научить» его адаптироваться к внешним событиям. Для этого мы создаём алгоритмы, которые помогают компенсировать внешние воздействия или подстроиться под них прямо в процессе. Используем нелинейные модели — они описываются не простой арифметикой, а нелинейными зависимостями, которые могут меняться в процессе эксплуатации робота. Мы разрабатываем алгоритмы, которые по косвенным измерениям определят недостающую информацию, чтобы воссоздать полную картину и точнее управлять устройством. Например, в документации к современным роботам указано, что их нельзя применять в условиях вибраций пола или тряски мобильной платформы. Алгоритмы компенсации, которые мы создаем, позволят использовать роботов в подобных условиях и расширят область их применения.  

Применение нейросетевых подходов для промышленного робота. Нейросети нужны, чтобы робот мог ориентироваться в неизвестной среде: обрабатывал данные с камер для компьютерного зрения, перемещался в пространстве, управлял манипулятором. Мы решили встроить нейросетевые алгоритмы прямо в робота, но реализовать это на практике сложно. Во-первых, мобильный робот не может носить на себе целый сервер. Во-вторых, нейросети потребляют много энергии — аккумулятора не хватит на рабочий день. Поэтому мы разрабатываем подходы по сжатию нейросетей и снижению энергопотребления, стараясь при этом сохранить точность работы. Наши разработки позволят не зависеть от серверов крупных компаний и использовать нейросети для роботов даже в удаленных регионах без стабильного интернета. Это особенно актуально для добывающей промышленности — представители этого сектора бизнеса уже приходили к нам с запросом. На данный момент мы описали фундаментальные принципы и скоро планируем изготовить первые экспериментальные образцы.

Сотрудничество с индустрией

Свои научные методы мы стараемся реализовывать на практике с партнерами — в частности, работали с компанией Arrival Robotics. Сейчас готовимся реализовать новый проект со «ВкусВиллом» по роботизированной кухне ― еду там будут готовить роботы без участия людей. Это освободит поваров от рутины, сократит число ошибок и ускорит производство.

Как устроена работа в научной группе

— В моей группе работают научные сотрудники, аспиранты и студенты. Размер коллектива варьируется: от десятка до двух десятков человек. Студенты узнают о нас на учебных занятиях — там мы в том числе рассказываем о наших текущих исследованиях.

Выбирая темы для исследований, я прежде всего учитываю интересы и сильные стороны студентов и аспирантов. Затем помогаю разобраться в фундаментальных основах выбранной области, чтобы можно было описать работу в общем виде (это требование аспирантуры). После этого мы адаптируем работу под конкретный класс систем, формулируем задачу и фиксируем полученный результат.

Часть работы делаем удаленно: конструируем механизмы в «Компасе», тестируем математические модели в MATLAB и Python, пишем программы управления роботами на C++. Когда доходим до физической реализации — сборки, работы с электроникой, испытаний, — переходим в очный формат.

Инфраструктура

У нас целый парк роботов. Это промышленные роботы с большой грузоподъемностью для тяжелых условий, манипуляторы KUKA и Mitsubishi для перемещения объектов, а также современные коллаборативные роботы, способные работать вместе с человеком. Ещё у нас есть своя площадка на территории опытного конструкторского участка ИТМО — для самостоятельного изготовления устройств, оснастки мобильных роботов в краткие сроки, чтобы можно было быстро проверить гипотезы или изготовить лабораторный образец.

Как попасть в научную группу

— Приходить можно уже во время магистратуры или даже бакалавриата. От желающих работать в нашей группе мы ждем понимания принципов работы систем управления и контроллеров, а также опыта работы с программами для проектирования, программирования или сборки систем управления.

Обычно знакомство я начинаю с того, что изучаю бэкграунд студента, его навыки и интересы. Затем мы выбираем одно из трех больших направлений: механику, программирование систем управления или электронику. После этого ищем более узкую тему, отталкиваясь от актуальных задач и крупных научных вызовов.

Если планируете поступать в аспирантуру, лучше заранее связаться с научным руководителем и обсудить идею будущей диссертации. Если хотите попасть в мою научную группу, пишите на электронную почту gromov@itmo.ru.
 

В нашей группе не только пишут диссертации. Ещё работают над прикладными проектами для партнеров ― с трудоустройством и заработной платой, проходят учебную практику или ведут собственные исследования для выпускных квалификационных работ. Я считаю, что возможность поучаствовать в реальном научном исследовании и воплотить свои идеи на практике — это незаменимый опыт.