Спорт на автомате: как российские инженеры выигрывают соревнования по робототехнике

На Robocon и Eurobot команды должны создать робота с нуля под определенную миссию: придумать концепцию, сделать 3D-модель, спроектировать и собрать электронику, систему управления нижнего и верхнего уровней, систему навигации. Задача – набрать максимум очков, одновременно стараясь избегать штрафных. Это по-настоящему робототехнические, а не айтишные соревнования.

Прежде величина игрового поля оставалась неизменной – 2x3 м. Роботов в команде может быть максимум два, на поле одновременно находятся устройства двух соперников. Разместить в маленьком блоке (а его размеры строго заданы) огромное количество электроники, механики, приводов – сложная инженерная задача. Например, в робот команды ReSet «Сколтеха», победителя последнего российского этапа, встроено 16 приводов Dynamixel, пять DC-моторов Maxon, червячный редуктор, импеллеры и еще куча всего.

«Я их называю маленькими "Теслами", – смеется руководитель лаборатории робототехники "Сколтеха" и бессменный тренер команды ReSet Дмитрий Тетерюков. – Потому что по "начинке" и сложности алгоритмов навигации они похожи. Инженерия того же уровня, что и у автономного авто, но при этом мы серьезно ограничены габаритами».

Тема турнира часто привязывается к актуальной повестке: в 2019 году были «Роботы на Луне», а в 2022-м – «Роботы-археологи»: согласно сценарию, автоматы возвращались на Землю, чтобы узнать историю своей цивилизации, и вели раскопки. На поле располагался заранее известный набор элементов. Робот-археолог должен был определить область раскопок, найти, распознать и переместить найденные элементы в определенную точку, поместить их на пьедестал, сохранить внутри себя статуэтку и затем поставить ее в нужное место. Разным роботам запрещено сталкиваться на поле (за это предусмотрена дисквалификация), но они могут собирать элементы противника и блокировать чужие устройства. И на все манипуляции дается всего 100 с.

Недавно на Западе возникла новая тенденция, связанная с нехваткой рабочей силы после COVID-19, – автоматизация процессов на кухне, роботизированные рестораны и точки фастфуда. Было интересно, как в Eurobot реализуют этот тренд при помощи автономных устройств. В 2023 году впервые была изменена конфигурация поля: оно стало длиннее, появилось больше возможностей для использования компьютерного зрения и систем локализации. На участке расставили цилиндрические разноцветные коржи для тортов и разложили вишню. Роботы при помощи захватов собирали коржи, выставляли их в правильном порядке, украшали ягодами, воровали чужие тортики и выполняли множество других заданий.

«В этот раз упор был сделан скорее на компьютерное зрение: на коржах установлены QR-маркеры, которые надо считать, – поясняет Дмитрий Тетерюков. – Нужны камеры и системы распознавания. Если раньше выигрывали компании, у которых была лучшая механика и электроника, то сейчас шанс на победу появился у команд с хорошей навигацией и локализацией».

Правила публикуются в сентябре, а соревнования начинаются в апреле, то есть на разработку отводится восемь месяцев. Команда ReSet «Сколтеха» состоит из 10 человек: трех механиов, трех электронщиков и четырех программистов, и успех проекта зависит от каждого из них. Если участникам не хватает компетенций, есть риск не уложиться в срок с разработкой и тестированием.

«Почему для Европы так важен Eurobot? – спрашивает Дмитрий Тетерюков и сам отвечает. – Любая технология, например авиа- или автомобилестроение, требует инженеров интеллектуальных систем, которые знают и электронику, и механику, и IT. Такие специалисты уникальны, их мало. Ребята, прошедшие Eurobot, обладают нужными навыками и умеют работать в команде. Они знают, как распределить задачи, для них успех проекта важнее собственного "я". Любой сложный технологический продукт требует компетенций в различных мультимодальных направлениях. И эти компетенции должны поддерживаться общей работой, чтобы не выйти за определенные временные рамки. Команда Eurobot – готовый коллектив, который можно брать на работу и сразу ставить перед ним непростые задачи. Почти во всех отечественных компаниях, связанных с робототехникой, на руководящих должностях можно встретить выходцев из Eurobot».

Соревнования роботов – захватывающая игра. Помнится, я сорвал голос, болея за нашу команду роботов-футболистов на World Robot Olympiad в Джакарте: во-первых, матчи короткие, во-вторых, голов гораздо больше, чем в настоящем футболе, и, в-третьих, юные российские робототехники гораздо успешнее взрослых футболистов. Eurobot не исключение: посмотрите видео финалов на YouTube – эмоции там зашкаливают. И все это укладывается в 100 с.

Создание роботов начинается сразу после получения правил и продолжается до последней минуты перед соревнованиями. Разработка ведется параллельно: механика, электроника, программное обеспечение. И только на финише все собирается воедино. Обычно делаются два специализированных робота – каждый под свою задачу. В этом году команда ReSet отказалась от такого подхода: задачу удалось выполнить двумя унифицированными машинами. Правда, они получились сложнее, чем специализированные, зато сделать две одинаковые было проще.

«Фишка» нового робота – роторный механизм, отвечающий за сбор и сортировку тортиков и в работе напоминающий барабан револьвера. С заданием автомат справлялся за рекордные 25 с, что освобождало время для других задач. Еще одна забавная деталь – хобот для сбора вишенок, который втягивал ягоды с помощью импеллеров.

Интересно, что состав команды каждый год меняется; новичков Дмитрий набирает из числа студентов своего курса в «Сколтехе», где читает лекции по робототехнике. Причем каждая вновь созданная команда должна не просто повторить успех предыдущей, но и превзойти ее технологически. Например, если в прошлом году сколтеховцы были на третьем уровне автономности, то сейчас перешли на четвертый и сильно продвинулись в машинном зрении. Пока Тетерюкову все удается: его ребята стали уже семикратными чемпионами России по Eurobot. В мире есть только одна команда, которая достигала аналогичных национальных результатов, – RCVA Университета Париж – Нантер.

Когда уже есть хорошая механика, электроника и все неплохо функционирует, можно приступать к самому интересному – созданию стратегии. До этого уровня мало кто доходит: обычно разработка робота с нуля съедает все время.

«В прошлом году у нас впервые появилась возможность продумать несколько вариантов действий для разных соперников, – говорит Дмитрий Тетерюков. – В финале мы встречались с командой ALDragon&#Cten, которая сделала отличную механику и инженерию, поскольку участвует в Eurobot уже шесть лет, – победить их впрямую было бы очень трудно».

«Мы посчитали, что самой математически верной будет кража стопок: это одно действие и целых три снаряда в нашей галерее плюс 18 баллов, – рассказывает капитан команды ReSet 2022 Артем Ненашев. – К тому же соперник недоберет заявленных баллов и не выполнит задачу, что тоже идет ему в минус. Если бы не эта стратегия, не факт, что мы бы выиграли соревнования: противник был очень опытным».

«В этом году мы соревновались с сильной командой. "Два капитана" – многократные чемпионы юниорского Eurobot, которые вместе с родителями сделали очень классных и, главное, надежных роботов. И в некоторых миссиях превосходили нас, – делится Дмитрий Тетерюков. – Мы считали их основными соперниками и именно под них придумали свою стратегию – первыми забрать коржи, которые находились в середине, чтобы противник не смог выполнить свою задачу – собрать шесть тортов. Ночью мы успели обкатать стратегию, вышли с ней на поле и победили. Нам повезло: наши роботы в финале работали очень эффективно, хотя в начале с трудом набрали минимальное количество очков. А вот "Двум капитанам" повезло меньше: у них не было локализации, их машины столкнулись с границей поля и остановились».

Треть зрителей финала – выходцы из команды ReSet. Они работают в ведущих технологических компаниях на хороших должностях, с высокими зарплатами и приходят поддержать молодых ребят. Своим появлением ветераны показывают, насколько подобные умения важны в дальнейшей карьере. Приезжает, например, 25-летний руководитель департамента компании «ЭвоКарго» – для студентов это фантастический пример: они понимают, что не просто так тратят время, а делают вклад в собственное будущее. Знания, которые сколтеховцы здесь получат, принесут им и карьеру, и деньги, и успех, и, самое главное, любимую работу.

Подобные соревнования очень важны, но пока не получили поддержки на государственном уровне. Однако в сегодняшних условиях это должно быть ключевой стратегией развития отечественной инженерной школы.

«Не обязательно Eurobot, может быть и другое соревнование мирового уровня, – объясняет Дмитрий Тетерюков. – Например, в США большое количество таких турниров организует DARPA. Именно с DARPA Grand Challenge началось активное развитие беспилотного транспорта. Тогда в битве сошлись ведущие американские учебные заведения – Stanford University и Carnegie Mellon University. У нас же был один-единственный профессиональный конкурс для беспилотного транспорта за всю историю России – "Зимний город" в 2019 году, где мы вошли в пятерку финалистов из 33 команд. Других соревнований такого уровня не проводилось».

«Наши баллы практически идентичны результату победителей. Мы могли побороться за первое место, как в 2019-м, когда ReSet стал вице-чемпионом мира, – продолжает Дмитрий. – У нас были очень хорошие роботы, и ребята, конечно, расстроились, что не смогли принять участие в состязании. Выиграть у десятка команд в своей стране, конечно, круто. Но когда приезжает тысяча команд из Европы, с которыми можно соревноваться, учиться у них, это совсем другой уровень. Там можно окунуться в атмосферу праздника технологий. Там собираются будущие инженеры уровня Илона Маска и Стива Джобса – те, кто будет развивать планету в следующие десятилетия».