Спросите робототехника: Вопросы и ответы с Джошем, инженером-механиком из Boston Dynamics

Джош, инженер-механик из команды Atlas, отвечает на ваши вопросы о создании роботов, от идей и инноваций до тестирования и производства.

7 минут чтения.

Джош, инженер-механик в команде Atlas, работает в Boston Dynamics уже четыре года. Он и другие инженеры-механики в его команде занимаются разработкой деталей, из которых состоит робот Atlas, таких как руки и ноги, двигатели и аккумулятор.

Работа с атласом

ЧЕМ ЗАНИМАЕТСЯ АТЛАС?

Atlas - это исследовательская платформа для Boston Dynamics. Мы используем его в качестве демонстратора технологий, чтобы расширить границы проектирования оборудования и систем управления. Мы выбираем такие области применения, как танцы и паркур, чтобы способствовать расширению этих границ.

КАК БЫСТРО МОЖЕТ БЕГАТЬ АТЛАС?

Самая большая скорость, с которой Atlas бегал, составляет около 5,5 миль в час. Существует забавная шутка: мы думаем, что робот достиг своего аппаратного предела в плане силы, скорости и гибкости, но затем команда разработчиков программного обеспечения находит способ сделать что-нибудь более сложное и координированное, чем мы были способны сделать раньше. Поэтому нам неизвестно, насколько еще мы можем расширить возможности Atlas с его нынешней конструкцией.

КАКИМ БЫЛ ПЕРВЫЙ ПРОТОТИП АТЛАСА?

Первый прототип гуманоида компании Boston Dynamics назывался PetProto, который был предшественником нашего робота Petman. Мы взяли две ноги от нашего робота BigDog и попытались заставить его балансировать; позже мы приделали руки. Это привело к более чем десятилетней эволюции гуманоидного робота до робота, которого вы видите сегодня на YouTube и которого мы называем HD, сокращенно от Humanoid Version D.

Открывая для себя роботов

ЧТО ЗАСТАВИЛО ВАС ЗАИНТЕРЕСОВАТЬСЯ РОБОТОТЕХНИКОЙ?

В детстве я постоянно что-то разбирал и строил, но робототехникой заинтересовался в старших классах, когда вместе с другом построил летающий дрон. Он был довольно ужасным и едва мог летать, но, изучая управление полетом и электронику, видя, как дрон реагирует на мои команды, чтобы стабилизировать себя, я почувствовал в себе силы для создания более удачных роботов в будущем. На старших курсах я изучал многие основы робототехники, такие как механика материалов, физика, механическая обработка, термодинамика и интегральная микроэлектроника. Я также использовал все возможности для создания роботов в рамках проектов, соревнований и исследовательских лабораторий. До прихода в Boston Dynamics я в течение пяти лет после колледжа разрабатывал механизмы космических кораблей и роботов для Военно-морской исследовательской лаборатории.

КАК ДРУГИЕ МОЛОДЫЕ ЛЮДИ МОГУТ НАЧАТЬ ЗАНИМАТЬСЯ РОБОТАМИ?

Lego EV3 и FLL (Первая лига Lego) - отличные стартовые площадки для детей младшего возраста. Если вы учитесь в средней школе, то команды FIRST Tech Challenge (FTC) или FIRST Robotics Competition (FRC) - это потрясающие команды. В колледже есть масса возможностей, таких как исследовательские лаборатории и соревнования для студентов. Кроме того, в колледжах часто есть прекрасные ресурсы и сообщества, которыми можно воспользоваться, например, механические мастерские, лаборатории электроники и "мейкерспейсы".

Независимо от того, есть ли у вас доступ к этим сообществам или соревнованиям, разбирайте все, что попадется в руки. Главное, чтобы ваши родители не печалились из-за кучи разобранных вещей в доме. Двигатели, тостеры, компьютеры, вентиляторы, старое оборудование и т.д. Наверное, самый важный совет, который я могу дать, - просто следуйте своим увлечениям. Если это вас увлекает и вы учитесь, продолжайте следовать этому пути, независимо от того, связан он с робототехникой или нет.

ПОМИМО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ЭЛЕКТРОНИКИ, СКОЛЬКО НЕОБХОДИМО ИЗУЧИТЬ МЕХАНИКИ, ЧТОБЫ ПРИБЛИЗИТЬСЯ К РОБОТОТЕХНИКЕ?

В настоящее время робототехника вполне доступна, даже если вы сосредоточены на одной области, а не на всех трех, общих для робототехники (механика, электрика, программное обеспечение). Если вы хотите сосредоточиться на программном обеспечении, вы можете купить недорогие готовые наборы или роботов и потратить 90% своего времени на программирование. Если вы хотите сосредоточиться на механике, вы можете выбрать проекты, которые не требуют сложного программирования, и использовать микроконтроллеры, которые просты в программировании.

В профессиональном плане, даже будучи инженером-программистом или инженером-электриком, полезно понимать принципы механики, такие как люфт, жесткость или трение, но вам не нужно быть конструктором-механиком, чтобы разрабатывать программное обеспечение или электронику для наших роботов.

Начало карьеры в робототехнике

КАК МОЖНО ПОПАСТЬ В РОБОТОТЕХНИКУ, ЕСЛИ ВЫ РАБОТАЕТЕ НЕ В ИНЖЕНЕРНОЙ СФЕРЕ?

Это зависит от того, что вы хотите делать с робототехникой. Если вы хотите работать с роботами и вокруг них, то существует множество профессий, не связанных с инженерией, которые могут иметь дело с роботами. Например, робототехника присутствует в медицине, автомобилестроении и медиапроизводстве. Если вы хотите разрабатывать роботов, не будучи инженером, это немного сложнее, но есть потребность в консультантах в неинженерных областях. Например, физиотерапевт может работать с инженерами над созданием реабилитационного робота. Если вы хотите на самом деле разрабатывать роботов, вам придется изучить множество основ и, вероятно, получить степень в соответствующей области, такой как машиностроение, разработка программного обеспечения или электротехника.

КАК ПОСТРОИТЬ РОБОТА?

При создании роботов в Boston Dynamics мы должны подходить к делу комплексно. Все подсистемы настолько взаимозависимы, что попытка спроектировать каждый аспект в отдельности никогда не сработает.

Вы можете думать об этом как о роботе в целом, который постепенно обретает свою цельность с течением времени. Обычно все начинается с разработки базовой модели системы, затем множество грубых концепций по разным дисциплинам, параллельно сходящихся по мере общения команд друг с другом, затем детальное проектирование, при котором работа между командами не прекращается. В создании робота участвует множество различных специалистов. Некоторые из основных технических дисциплин, которые необходимы, включают инженеров-электриков, инженеров-механиков, инженеров по программному обеспечению и управлению, специализированных техников, механиков и операторов. И это только на этапе разработки. Для фактического внедрения наших роботов в реальный мир требуется еще более многочисленная команда, состоящая из специалистов по производству, изготовлению, логистике, развитию бизнеса, маркетингу, продажам и администрации.

КАКИЕ ЛЮДИ РАБОТАЮТ В КОМПАНИИ BOSTON DYNAMICS?

Люди в Boston Dynamics очень добрые и дружелюбные. Каждый всегда готов протянуть руку помощи, где только может. Как вы уже догадались, здесь много ботаников, и люди действительно увлечены робототехникой. Я думаю, что то, что не очень заметно для внешнего мира, - это сильная межличностная культура, которая определяет то, как ведется инженерная работа. Когда вы входите в комнату для обсуждения проекта или мозгового штурма, вы видите, что люди оставляют свое эго за дверью. Дело не в том, что именно ваша идея будет воплощена в роботе. Все просто хотят создать лучшего робота, на которого мы способны, и когда есть успехи, это чувствует и празднует вся команда. Когда случаются неудачи, команда работает вместе, чтобы учиться на ошибках, и во многих отношениях они также отмечаются. Это важная часть нашей культуры.

ЧТО ВЫ МОЖЕТЕ ПОСОВЕТОВАТЬ ТЕМ, У КОГО МНОГО ЖЕЛАНИЯ, НО МАЛО ОПЫТА, ЧТОБЫ ПОДНЯТЬ СВОИ НАВЫКИ КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕХАНИКИ НА НОВЫЙ УРОВЕНЬ?

В целом, вы должны не бояться испачкать руки и заниматься проектами, которые вас увлекают. Вот несколько практических советов, как поднять свою инженерную подготовку в области робототехники на новый уровень. Я включил ссылки на несколько рекомендуемых ресурсов: 

Важность фундаментальных знаний: Сосредоточьтесь на том, чтобы действительно хорошо изучить основы, а не выбирать проект, который не позволяет глубоко погрузиться в тему. Например, я бы рекомендовал сделать перевернутый маятник, а не что-то четвероногое, сделанное из сервоприводов.

Приводы: Старайтесь использовать бесщеточные двигатели с датчиками вместо любительских сервоприводов, шаговых двигателей и щеточных двигателей. В сообществе DIY есть много людей, которые пытаются сделать это недорого (несколько примеров для начала: раз и два). Вы также можете поискать на ebay дешевые б/у компоненты приводов промышленного класса.

Механика: 3D-принтеры - это круто, но если вы перейдете к механической обработке, то получите большой опыт и более качественные детали. Примите участие в работе школьной механической мастерской, если таковая имеется, или найдите местную мастерскую, где вы могли бы работать. Станки с ЧПУ хобби-класса также могут эффективно резать металл при некотором уходе (раз ,два).

Замкнутый контур управления: Попробуйте реализовать собственные алгоритмы управления в замкнутом контуре. Одними из самых важных проприоцептивных датчиков в робототехнике являются энкодеры, тензодатчики и IMU. Старайтесь выбирать датчики с высоким разрешением, хорошей линейностью и высокой пропускной способностью (раз, два, три, четыре).

Точность: При проектировании всегда учитывайте люфт, расположение и разрешение датчиков, конструкцию редуктора и наличие нежелательных перемещений между исполнительным механизмом и рабочим органом. Проследите путь нагрузки от предмета, к которому прикасается ваш робот, до двигателя и продумайте, что может соскользнуть при изменении направления нагрузки. Постарайтесь избежать срезания болтов и приложите дополнительные усилия для уменьшения люфта после всех этапов редукции.

Жесткость: Прогиб под нагрузкой (жесткость) часто важнее, чем то, когда механизм ломается (прочность). В своих конструкциях думайте о них независимо. Старайтесь не передавать большую нагрузку через маленькие участки, например, проводя шарнир через тонкий вал, или используя длинные тонкие трубки при изгибе. 

Бесплатные опубликованные ресурсы: Некоторые примеры включают каталоги поставщиков (1, 2, 3, 4), блоги и личные сайты (1, 2), а также академические статьи/бесплатные курсы (1, 2, 3). 

Коллектив важнее роботов: Умейте быстро слушать и медленно говорить, не держитесь слишком крепко за свои идеи и приветствуйте обратную связь. Поощряйте и развивайте товарищей по команде с меньшим опытом. Сведите свое эго к минимуму и развивайте своих товарищей по команде, а не соревнуйтесь с ними.