Робототехника для начинающих: курсы, книги и полезные ссылки
Подборка материалов, которые помогут войти в профессию.
Инженеры-робототехники занимаются проектированием, конструированием, программированием роботизированных систем. В июне 2017 года Boston Consulting Group оценила, что рынок робототехники к 2025 году вырастет до $87 млрд. В феврале 2018 года аналитики ResearchAndMarkets оценили этот показатель в $48,1 млрд.
Какие нужны знания
Современная робототехника строится на знаниях из области программирования, механики, мехатроники, электротехники, электроники и автоматического управления.
Для освоения робототехники на базовом уровне достаточно школьных знаний по математике и физике. Без понимания физики движения и принципов работы механизмов и электродвигателей сложно собрать функционирующего робота.
Затем идут информатика и проектирование. Так как программирование необходимо в робототехнике не меньше математики, важно разбираться в компьютерных науках и информационных системах. Проектирование поможет создавать удобные продукты. Но знания из других инженерных дисциплин тоже будут полезны.
Направления в робототехнике
Машиностроение изучает физические составляющие робота — его «тело». Подтемы — механика и сопротивление материалов. Большинство курсов в этом направлении ориентированы на физический дизайн и приведение робота в действие.
Электротехника и электроника или «нервная система» занимаются электрическими системами внутри робота, встроенными системами, низкоуровневым программированием и теорией управления. Обычно это автоматизация, которая строится вокруг контроля робота.
Информатика — многие специалисты пришли в робототехнику благодаря увлечению компьютерными науками. Инженеры этого направления концентрируются на программном обеспечении робота и высокоуровневом программировании. Среди тем — искусственный интеллект, навигация, техническое зрение, обработка естественного языка и так далее.
Онлайн-курсы
Площадка: Coursera.
Автор: Томский государственный университет.
Курс поможет слушателям определиться, в каком направлении робототехники они хотят развиваться: изучение структуры и кинематики, приводы, управление и программирование, организация производства, автоматизация проектирования и так далее. Для прохождения курса достаточно школьных знаний по математике и физике.
Площадка: edX.
Автор: Колумбийский университет.
Преподаватели затрагивают два класса роботов: кинематические цепи и мобильные базы. Слушатели учатся моделировать задачу доставки груза в указанное место. Для этого они получат знания о двумерных и трёхмерных пространственных проекциях.
Из курса студенты узнают, как управлять роботами и передвигать их, а также планировать полные роботизированные системы. Проекты выполняются на языках Python и C++. Также потребуются знания в высшей математике на уровне первого-второго курса университета.
Площадка: Coursera.
Автор: МФТИ.
Курс состоит из практических задач, которые собираются и программируются на основе Arduino. Создаваемые устройства считывают данные с датчиков, обрабатывают данные, получают и отправляют их на компьютер, в интернет и смартфоны. Слушатели изучают проектирование, компоненты, сборку схем, написание программ и диагностику. Курс не требует специальных навыков и ориентирован на всех желающих.
Площадка: Future Learn.
Автор: Квинслендский технологический университет.
Специализация состоит из трёх курсов: от теории к практике. На первом рассказывают про перспективы робототехники и роль роботов в обществе. На втором преподают основы математики и программирования для передвижения роботов, необходимые в практических упражнениях. На третьем научат создавать и программировать простого робота с помощью LEGO Mindstorms.
Площадка: UdaCity.
Автор: Технологический институт Джорджии.
На курсе рассматриваются основные методы в искусственном интеллекте, включая вероятностный вывод, планирование и поиск, локализацию, отслеживание и контроль с упором на робототехнику. Программные примеры и задания применяются в контексте создания беспилотных автомобилей. Финальным проектом станет создание робота, который пытается убежать. Курс входит в программу Mercedes-Benz «Станьте инженером беспилотных автомобилей».
Площадка: Stanford School of Engineering.
Автор: Стэнфордский университет.
На курсе слушатели знакомятся с основами моделирования, проектирования, планирования и управления роботизированными системами. Материалы представляют краткий обзор знаний из области геометрии, кинематики, статики, динамики и управления. К каждой лекции прилагается стенограмма.
Площадка: «Открытое образование».
Автор: Университет ИТМО.
Преподаватели расскажут про моделирование робототехнических систем и создание алгоритмов управления. Слушатели научатся применять теоретические знания из физики и математики для решения задач управления на примере маятниковой системы.
Площадка: «Универсариум».
Авторы: совладелец и основатель RoboCraft Алексей Белоусов и руководитель и основатель Lab409 Данил Борчевкин.
Слушатели курса изучат основные принципы электроники и научатся применять их на практике. Студенты создадут простого робота, который любит темноту, объезжает препятствия и не падает со стола. Курс проходит на базе Arduino.
Площадка: «Универсариум».
Автор: заместитель директора ЦТПО МГУПИ Андрей Будняк.
На курсе студенты научатся писать программы к контроллеру Arduino, управлять исполнительными механизмами и считывать информацию с датчиков. Курс рассчитан на начинающих и не требует специальных знаний.
Площадка: EdX.
Автор: Массачусетский технологический институт (МТИ).
Слушатели знакомятся с нелинейной динамикой и контролем за неполноприводными механическими системами с упором на вычислительные методы. Изучаемые темы применяются для оптимального и робастного управления и планирования движения роботов.
Рассматриваются примеры из биологии и анатомии передвижения, парных манипуляций, подводных роботов и летательных аппаратов. Также у одного из преподавателей курса Русса Тедрейка есть одноимённая методичка, используемая для обучения в МТИ.
Литература
«Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства»
Автор: Джереми Блум.
В книге Блум рассказывает про основы проектирования на микроконтроллерах Arduino, также он приводит базовые знания про аппаратное и программное обеспечение платформы. К каждому примеру прилагается список инструментов, монтажные схемы и описание листинга программы.
“Springer Handbook of Robotics”
Авторы: Бруно Сицилиано, Уссама Хатиб.
Книга считается авторитетной среди исследователей. Некоторые называют её энциклопедией робототехники. Второе издание содержит ссылки на 700 видеороликов, которые можно просматривать, не отрываясь от чтения, с помощью смартфона.
«Электроника для начинающих»
Автор: Чарльз Платт.
Основы электроники преподаются на примере экспериментов. В книге подробно рассказывается, как проектировать, отлаживать и изготавливать электронные устройства дома. Уроки начинаются с простых опытов с током и заканчиваются созданием устройства с транзисторами и микроконтроллерами.
«Основы робототехники»
Автор: Анатолий Иванов.
Это учебное пособие, в котором излагается теоретический минимум по курсу робототехники. Также описываются примеры применения промышленных роботов на технологических операциях и в роли сервисного оборудования. Рассматривается структура, кинематика, позиционирование и производительность роботов.
“Probabilistic Robotics”
Автор: Себастьян Трон, Вольфрам Бургард, Дитер Фокс.
Книга посвящена новой и растущей области — вероятностной робототехнике. Она основывается на математической статистике и выводит роботов на новый уровень надёжности, так как помогает справиться с нестандартными задачами.
Книга знакомит с множеством методов и алгоритмов в области. Каждая глава содержит примеры реализации в псевдокоде, подробные математические объяснения, обсуждения практиков и большой список упражнений и проектов.
«Введение в робототехнику: механика и управление»
Автор: Джон Дж. Крейг.
В книге подробно описываются кинематика и динамика манипуляторов. В ней также рассматриваются генерация траектории, силовое, линейное и нелинейное управление. Теория сопровождается примерами и задачами, реализованными на MATLAB.
“Introduction to Autonomous Mobile Robots”
Автор: Роланд Зигварт.
Читателю предлагается обзор технологии мобильных роботов — механизмов, позволяющих устройству перемещаться в реальной среде для выполнения задач. В книге рассматривается локомоция, зондирование, локализация и планирование движения. Также описываются другие аспекты мобильной робототехники: проектирование, кинематический анализ, датчики, системы восприятия, картографии и управления роботами.
“Robotics, Vision and Control: Fundamental Algorithms in MATLAB”
Автор: Питер Корк.
Автор книги поддерживает более десяти лет набор инструментов MATLAB с открытым исходным кодом для робототехники и компьютерного зрения. Все они позволяют работать с реальными проблемами.
В книге описываются примеры и способы их использования. Автор показывает, как сложные задачи можно разложить и решить с помощью нескольких строк кода. Книга затрагивает основы кинематики роботов, динамики и основы стереозрения.
“Robot Building for Beginners”
Автор: Дэвид Кук.
Книга помогает читателю понять составные части разработки роботов. В ней рассказывается про анатомию роботов и составные части. Книга даёт представление о создании роботов и помогает понять, какое направление робототехники ближе к читателю.
«123 эксперимента по робототехнике»
Автор: Майк Предко.
Читатель знакомится с основами робототехники, радиоэлектроники и программирования микроконтроллеров для роботов с нуля. Автор не погружается в сложные математические формулы, но объясняет физику процессов, происходящих в роботе. Также приводит список программ с подробными комментариями.
«Настольная книга разработчика роботов»
Автор: Оуэн Бишоп.
Книга ориентирована на новичков и рассказывает про проектирование и создание роботов с нуля. Автор рассматривает поведение, навигацию и реакцию робота на объекты, механику и инструменты, электронику, схемы управления и программирование микроконтроллеров. В конце книги приводятся примеры создания пяти роботов.
Ссылки
- Подборка материалов для начинающих от лаборатории «Робототехника» МФТИ, ВШЭ и МГТУ им. Н. Э. Баумана.
- Карьерный уголок NASA, где учёные и инженеры агентства рассказывают, как они попали в робототехнику.
- Конспект лекций курса «Введение в робототехнику» МТИ. На странице также есть описание лабораторных и практические задания к экзамену.
- RoboticsCourseWare.org — открытый образовательный сайт для изучающих робототехнику с полезными курсами, книгами и ссылками.
- EasyElectronics — сайт для начинающих электронщиков и тех, кто хочет развивать навыки.
Советы сотрудников российских ИТ-компаний и преподавателей вузов
Робототехника — не просто отрасль, но технология общего назначения, подобно электричеству, транспорту или канализации. Экономические исследования показывают, что роботизация имеет такой же трансформационный эффект на экономику, какой оказало изобретение паровой машины в эпоху первой промышленной революции в 18 веке.
Для России важно поддерживать собственную отрасль робототехники, так как роботы действительно замещают рабочие места. Однако впервые в истории нашей цивилизации профессии в одной стране могут замещать роботы, созданные в другой.
Перечь материалов в статье — достойный. От себя добавлю также курс, к которому стоит присмотреться, — «Мой друг — робот: введение в социальную робототехнику».
Технологические конкурсы
Получив теоретические знания в области робототехники, не менее важно проверить их на практике. Сделать это можно в формате робототехнических инженерных соревнований.
Один из примеров — международный конкурс Eurobot. На площадке Eurobot соревнуются одновременно две команды, которые должны быстрее чем за 60 секунд выполнить ряд сложных логистических задач по сбору и перемещению различных объектов разной формы. Это соревнование, в котором могут принимать участие школьники с 8 до 18 лет и молодые инженеры, студенты от 18 до 29 лет.
Школьники создают телеуправляемы платформы, а молодые инженеры делают полностью автономных роботов. Обычно в командах-победителях от трёх до пятнадцати инженеров. Создать безупречного робота — непростая задача, и решают её только самые упорные и талантливые.
Соревновательная робототехника — это контактные единоборства для тех, у кого астма. Именно в этих соревнованиях рождаются не только лучшие таланты, но и лучшие команды, в которых эти таланты светят ещё ярче.
Сейчас есть много различных курсов для начинающих и продвинутых слушателей, посвященных дисциплинам, входящим в направление STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics), то есть образующих именно ту основу, на базе которой развивается современная робототехника.
Есть курсы, которые знакомят с основами теории управления, математикой, конструированием, программированием контроллеров и простых робототехнических систем, например, на основе LEGO. Однако, на мой взгляд, разрыв между знаниями, которые могут дать эти курсы, и индустриальной робототехникой всё же достаточно велик.
Чтобы устранить этот разрыв, мы с коллегами (аспирантами кафедры МО ЭВМ СПбГЭТУ ЛЭТИ) создали небольшой онлайн-курс, посвящённый операционной системе ROS (Robot Operating System), которая используется в большом количестве промышленных роботов. Для обучения не требуется специальных знаний, достаточно быть немного знакомым с Linux и основами программирования на языках С или С++.
Также с 10 по 25 января 2019 года в Санкт-Петербурге пройдёт Зимняя школа для старших школьников и студентов начальных курсов Winter mini-degree program in STEM. Это совместная инициатива МТИ и объединения научных групп JetBrains Research.
В рамках школы участники пройдут комплекс STEM-дисциплин, включая разделы математики, программирования, архитектуры ЭВМ, разработки программ для роботов в ROS, а также выполнят мини-проект. Попасть в школу могут школьники старших классов и студенты начальных курсов, пройдя предварительный отбор.
Приведённая подборка получилась достаточно обширной. Но позволю себе добавить свои рекомендации.
Курсы
— «Автономная навигация для летающих роботов», Мюнхенский технический университет.
— «Машинное обучение», Стэнфордский университет.
— «Управление мобильными роботами», Технологический институт Джорджии.
— Открытые лекции от автора курса «Введение в робототехнику», Квинслендский технологический университет.
Книги
— Отличная книга по физике для начинающих робототехников «Теоретический минимум», Леонард Сасскинд, Джордж Грабовски.
— «Основы теории автоматического управления», Константин Поляков (обе части) — книги моего любимого автора по теории управления для начинающих.
Однако в самом начале стоит посмотреть научно-популярные и обзорные курсы по робототехнике или выступления TED Talks, на которых рассказывают про реальные примеры робототехники. А потом приступить к чтению книг и прохождению курсов.
Но в первую очередь необходимо понять, в каком направлении будете развиваться. Потому что охватить всё не получится. Обычно специалисты делятся на три лагеря.
— Мехатроника, в рамках которой конструируют и просчитывают основные узлы, составляющие робота.
— Электротехника и микроэлектроника, где рассчитывают электрические нагрузки, мощности двигателя, необходимые источники питания и электротехнические элементы, обеспечивающие необходимую мощность.
— Программирование, где специалисты работают с техническим зрением, анализом данных, обработкой информации, когнитивными сервисами.
Когда вы определитесь, к какому лагерю хотите присоединиться, уже стоит искать специализированные материалы.
Если вы захотите войти в профессию, начните с изучения востребованных вакансий на HeadHunter. Посмотрите, что сейчас актуально на рынке. Послушайте выступления руководителей робототехнических компаний: какой вектор развития они задают.
И после этого отправляйте резюме с описанием выполненных проектов по мехатронике, электронике или программированию. Желательно, чтобы в них была изюминка, а не простое повторение заданий курсов. Хотя успешное прохождение курсов тоже даёт хорошие шансы на вхождение в профессию.
К списку книг можно добавить «Теорию автоматического управления» — это хардкорнейшая книга. Буквально библия, без которой все попытки заняться робототехникой — это просто «поиграть».
Прочтение этой книги обязательно, если планируете стать настоящим инженером-робототехником. В ней описывается, как учитывать статику и динамику манипуляторов, как динамика влияет на переходные процессы при движении, как моделировать динамические процессы.
Так как робототехника находится на стыке трёх наук (механика, электроника и компьютерное управление), то и подходить стоит с той стороны, которая вызывает наибольший интерес:
— Заняться изготовлением механики, углубиться в принципы проектирования манипуляторов, кинематические цепочки, изучить сопротивление материалов, при этом добавить готовую электронику и взять открытые алгоритмы для управления.
— Погрузиться в электронику, в низкоуровневое управление приводами, в обработку данных с датчиков, преобразование управляющих сигналов с силовые, при этом взять готовые механизмы и использовать открытые алгоритмы для управления.
— Погрузиться в алгоритмы высокоуровневого управления, планирование траекторий движения, обхода препятствий, решение прямой и обратной задачи кинематики. Применить такую систему на готовые механизмы с готовой электроникой и низкоуровневой системой управления.
Изучить в итоге придётся всё в той или иной степени, но первый шаг лучше делать в той области робототехники, которая ближе, понятнее или доступнее.
То есть у меня было понимание, как проектировать механику, но физически мне её не на чем было делать; было примерное понимание того, как делать электронику, но найти все необходимые компоненты было сложно, поэтому приходилось делать всякие допущения; но был компьютер, и с программной частью проблем не возникало, поэтому я занимался в основном ею.
Однозначно в закладки 👍🏻
Только вот сдается мне, что без нормального физмат образования делать в этой сфере нечего - порог вхождения достаточно высокий. Это не говнокод ваять после месячных курсов и пары-тройки книжек.
Комментарий недоступен
Круто статья полезная 👌
Вот ещё базовый курс по робототехнике (robolab) от 239 на Лекториуме. Легендарный Филиппов.
https://www.lektorium.tv/mooc2/27788
Статья отличная, спасибо за труд.
В робототехнике, как и в любом творческом деле, никуда без вдохновения. Найти можно тут — https://www.instructables.com/technology/arduino/ — отличные проекты с подробным описанием и инструкцией для воспроизведения. Требуется базовый технический английский, но это невелика проблема.
Чем больше у них работы, тем меньше у нас работы : )