Мехатроника – это область науки и техники, основанная на объединении узлов точной механики с компьютерными компонентами в целях проектирования и производства модулей, машин и систем с интеллектуально управляемым функционалом движения.
Сам термин «мехатроника» был зарегистрирован как торговая марка японской фирмой Yaskawa Electric в 1972 году. Начиная с 80-х годов термин стал применяться в мировой технической литературе для обозначения класса машин с компьютерным управлением движением.
Метод и задачи
В основе метода мехатроники лежит синергетическая интеграция с использованием энергетических и информационных потоков для движения с заданными параметрами.
Мехатронные модули и системы служат основой создаваемых во многих отраслях промышленности технологических машин и агрегатов с качественно новыми свойствами, а также периферийных устройств для различных областей применения. Это могут быть медицинские микророботы, беспилотные летательные устройства, части экосистемы умного дома или бытовая техника, девайсы и гаджеты. Авиационная, военная и космическая техника, автомобилестроение, железнодорожный транспорт, контрольно-измерительные устройства, средства малой мобильности – все это сфера применения мехатронных систем.
Мехатронная система – единый комплекс электромеханических, электрогидравлических, электронных элементов и средств вычислительной техники, между которыми осуществляется постоянный динамически меняющийся обмен энергией и информацией, объединенный общей системой автоматического управления, обладающей элементами искусственного интеллекта.
Задачей мехатронной системы является преобразование входной информации, поступающей с верхнего уровня управления, в целенаправленное механическое движение на основе принципов современной теории управления. Основой разработки мехатронных систем являются методы параллельного проектирования (concurrent engineering methods), которые заключаются в одновременном и взаимосвязанном синтезе механических, электронных, сенсорных и компьютерных компонент, оснащённых необходимым математическим и программным обеспечением.
Востребованная профессия
Сегодня промышленность остро нуждается в специалистах, которые могут создавать роботов и автоматизировать производство с их помощью. Согласно статистике, в среднем по миру на 10 000 сотрудников уже приходится больше 80 промышленных роботов, а в странах с высоким уровнем развития роботизации типа Южной Кореи – больше 700.
Создание перспективных технических разработок в настоящее время невозможно без инженеров, обладающих знаниями в области мехатроники. Эта профессия, по данным ЮНЕСКО, входит в десятку самых востребованных и перспективных специальностей в мире. Это престижная и востребованная специальность, объединяющая в себе такие смежные направления, как искусственный интеллект, кибернетика, компьютерно-интегрированные производства, электротехника и электроника, микроконтроллеры, схемотехника, IT-технологии, наукоемкий инжиниринг.
Обучение и трудоустройство в России
Порядка пятидесяти вузов в Российской Федерации готовят бакалавров по направлению «Мехатроника и робототехника». В рамках данной статьи мы рассмотрим примеры успешной совместной работы высшей школы и промышленных предприятий по подготовке кадров для отечественных и зарубежных индустриальных компаний.
Выпускники кафедры СМ-7 «Робототехнические системы и мехатроника» МГТУ им. Н.Э. Баумана работают в ведущих государственных центрах оборонной и космической техники, на промышленных предприятиях, внедряющих робототехнику, а также в частных компаниях, обеспечивающих автоматизацию производства.
Сотрудниками кафедр СМ-7 и РК-10 были предложены принципы построения робототехнической системы для обслуживания термоядерного реактора, созданы системы управления манипуляторами для выполнения сложных операций в опасных условиях атомных электростанций. Под руководством профессора Н.А. Лакоты проведены научные и технические разработки мобильных роботов, которые успешно действовали при ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС. По некоторым своим характеристикам они превзошли зарубежные аналоги. Сотрудниками кафедры РК-10 и НУЦ «Робототехника» были разработаны системы автоматизированного контроля качества промышленных роботов, «интеллектуальные мобильные роботы, обладающие системами технического зрения и способные работать самостоятельно в незнакомых условиях.
Дальнейшее развитие получила теория робототехнических систем. Созданы новые методы управления и математического моделирования манипуляционных систем. На их основе были разработаны универсальные пакеты программ автоматизированного моделирования и проектирования робототехнических систем. Эти методы были положены в основу вычислительного комплекса, позволяющего моделировать робототехнические системы космического базирования в реальном масштабе времени и отрабатывать системы дистанционного управления ими. Этот комплекс в настоящее время используется при подготовке космонавтов по управлению манипуляторами на орбите.
На кафедре СМ-7 накоплен большой опыт разработки и создания робототехнических систем специального назначения, отработаны принципы построения мобильных роботов. Разработан первый серийно выпускаемый в России робототехнический комплекс «Варан». Превращен в робот-танк серийный образец танка Т-72. На нем отлажены базовые элементы роботов военного назначения. Разработан и создан автономный минный тральщик на базе инженерной разведывательной машины (ИРМ). Разработан и создан функционально-моделирующий стенд космических манипуляционных роботов (КМР) для подготовки операторов КМР и наземной отладки роботизированных операций в космосе. Разработанные на кафедре роботы принимали участие в ликвидации чрезвычайных ситуаций.
На современном этапе развития научной школы робототехники центром внимания ученых МГТУ стали автономные системы, оснащенные развитыми системами датчиков, в том числе техническим зрением, обладающие элементами искусственного интеллекта. Разработан и создан ряд систем технического зрения. Разработан и создан комплект бортовой аппаратуры, позволяющий реализовать функции навигации, построения модели окружающей среды, планирования движения в заранее неизвестной окружающей обстановке.
Национальный исследовательский Томский государственный университет реализует магистерскую программу «Моделирование роботов и робототехнических систем» по направлению подготовки «Мехатроника и робототехника». Стратегические партнеры ТГУ – это машиностроительные и приборостроительные предприятия, предприятия оборонного комплекса, предприятия нефтегазового комплекса, научно-исследовательские центры. В их числе «Газпром космические системы», предприятия госкорпорации «Росатом», Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина, предприятия госкорпорации «Роскосмос», Федеральный центр двойных технологий «Союз», Федеральный научно-производственный центр «Алтай», «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнёва». У ТГУ прочные партнерские отношения с научно-производственными компаниями города Томска – это научнопроизводственное предприятие «Томская электронная компания», «Томский завод Кузнецова», научно-производственный центр «Полюс», научно-производственная фирма «Микран».
Иркутский национальный исследовательский технический университет готовит кадры для ряда должностей: специалист по мехатронике, ведущий инженер-мехатроник, конструктор, начальник участка, IT-специалист, разработчик автоматизированных систем управления, инженер по наладке и испытаниям мехатронных устройств и т.д. Основные предприятия и партнеры ИРНИТУ – Иркутский авиационный завод (филиал НПК «Иркут»), «Улан-Удэнский авиационный завод», центр судоремонта «Дальзавод» (г. Владивосток), дальневосточный завод «Звезда» (г. Б. Камень), Иркутский релейный завод; РЖД.
Институт радиотехнических систем и управления Южного федерального университета организует учебный процесс на кафедре электротехники и мехатроники. Успешное освоение знаний, умений и навыков позволяет выпускнику кафедры быть эффективным и успешным во многих сферах научно-технической деятельности. Широкие возможности трудоустройства обеспечиваются универсальностью профиля, широким профессиональным кругозором выпускников. Коллектив кафедры имеет большой опыт в разработке роботов различного назначения: созданы автономные роботы «Скиф» 1 и 2; навигация и системы управления наземными колесными роботами; роботизированный катер; системы управления дирижаблей для Китая и европейского проекта MAAT; системы группового управления подвижными объектами; моделирующие комплексы различного назначения.
Во время учебы в Томском политехническом университете студенты практикуются в современных лабораториях ТПУ, созданных в партнерстве с передовыми компаниями – KUKA и Schneider Electric. Выпускники умеют проектировать блоки и устройств мехатронных и робототехнических систем, управляющих, информационно-сенсорных и исполнительных подсистем и мехатронных модулей; разрабатывать программное обеспечение для проектирования систем, конструирования мехатронных модулей, управления и обработки информации; проводить испытания составных частей опытного образца изделия по заданным программам и методикам; готовить технико-экономическое обоснование проектов мехатронных и робототехнических систем, их отдельных подсистем и модулей; анализировать проекты для обоснования их технологической реализуемости. После учебы в ТПУ специалистов ждут на работу «Томский электротехнический завод», «Сибэлектромотор», «Завод приборных подшипников», НИИ электронных систем, НПЦ «Полюс», «Манометр», «Газпром трансгаз», «Томская электронная компания», «ТомскНИПИнефть», ЦНИИ робототехники и технической кибернетики.
Институт машиноведения и мехатроники Сибирского государственного университета им. М.Ф. Решетнева готовит конкурентоспособных специалистов в области технологии машиностроения, мехатроники, технологии сварочного производства, проектирования и эксплуатации холодильной и криогенной техники, метрологии, стандартизации и сертификации. ИММ СибГУ им. М.Ф. Решетнева готовит специалистов будущего, способных внедрять самые новейшие достижения научной и технической мысли в производство. Научный, производственный и педагогический опыт преподавателей, тесная связь с современным производством, традиции СибГУ им. М.Ф. Решетнева дают выпускнику необходимые знания и практические навыки для успешного трудоустройства.
В числе партнеров университета – «Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнёва», «Красмаш», красноярский завод холодильников «Бирюса», «Фармсинтез», Центральное конструкторское бюро «Геофизика» Федерального космического агентства, ФИЦ КНЦ СО РАН, КБ «Искра», НПП «Радиосвязь», ОКБ «Зенит», Горно-химический комбинат, Центр космической связи «Железногорск», «Краслесинвест», Ачинский НПЗ ВНК.
Кафедра информационно-измерительной и биомедицинской техники (ИИБМТ) Рязанского государственного радиотехнического университета имени В.Ф. Уткина готовит бакалавров по направлению «Мехатроника и робототехника», а также аспирантов по направлениям «Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии» с направленностями «Информационно-измерительные и управляющие системы» и «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», «Управление в технических системах» с направленностью «Информационно-измерительные и управляющие системы». Это определило упор в образовательной программе на одном из самых востребованных сегодня сегментов робототехники – искусственном интеллекте. Команда преподавателей и студентов направления является многократным победителем всероссийских полевых испытаний наземных мобильных роботов, регулярно представляет Россию на международной арене (ELROB, ENRICH). Робототехнические комплексы радиоуниверситета и созданного с его участием инновационного предприятия «КБ Аврора» демонстрируются в рамках открытых динамических показов на полигонах МО, МЧС, МСХ. Выпускники ИИБМТ без труда находят себе применение в традиционной области робототехники – автоматизации производства (разработка, настройка, сопровождение конвейеров, станков с ЧПУ, манипуляторов – конечных автоматов), в экстремальной робототехнике, в мобильной робототехнике, использующей машинное обучение (автономный транспорт на дорогах общего пользования и закрытых территориях предприятий), в роботизации самоходной специальной техники (роботы-экскаваторы, ‑комбайны, ‑самосвалы, ‑погрузчики). Образовательная программа направления построена с использованием проектного подхода, в котором большое внимание уделяется работе в команде. Студенты направления «Мехатроника и робототехника» привлекаются к участию в проектах с поддержкой современных институтов развития, таких как Фонд «Сколково», Фонд содействия инновациям и др. Производственная практика во время обучения способствует тому, чтобы студент после выпуска смог успешно построить карьеру как на предприятиях с разной степенью государственного и частного участия, так и развивать собственный стартап-проект.
Кафедра «Мехатроника и робототехника» Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова выпускает по данному направлению подготовки бакалавров и магистров. У кафедры налажено активное взаимодействие с промышленными предприятиями КБР – «Телемеханика», «Терекалмаз», Нальчикским халвичным заводом и др. Они являются базами практик, их сотрудники участвуют в подготовке специалистов, в том числе в работе государственных экзаменационных комиссий. Сотрудники кафедры проходят на их базе стажировки, ведутся совместные НИОКР. Кафедра ведет научно-исследовательскую работу по разработке программно-аппаратного комплекса для мехатронных и робототехнических устройств и систем. Совместно с Высокогорным геофизическим институтом кафедра ведет научно-исследовательскую работу по разработке мехатронной системы дистанционного мониторинга опасных и особо опасных природных явлений. По этой тематике кафедра имеет готовые к внедрению инновационные разработки.
Основное научное направление кафедры «Мехатроника и технологические измерения» Тамбовского государственного технологического университета – развитие теории и практики теплофизических измерений и их применение для контроля качества материалов и изделий. Результатами проведенных исследований стало множество уникальных приборов и установок, нашедших применение на ряде предприятий Российской Федерации. Так, был создан прибор для определения теплофизических свойств твердых материалов, использовавшийся для контроля качества теплоизоляции космического корабля многоразового использования «Буран». Другие разработанные автоматизированные теплофизические приборы нашли свое применение в научных исследованиях во ВНИИ полимеров и мономеров (г. Тула), ВНИИбиотехника (г. Москва), МИТХТ им. М.В. Ломоносова, ВНИИ пожарной охраны (г. Москва) и т.д. Представляют интерес приборы для определения теплофизических свойств жидких, пастообразных и сыпучих материалов. Это и автоматизированные приборы для определения теплопроводности и теплоемкости образцов из однородных плотных твердых неметаллических материалов в условиях охлаждения и нагрева, и автоматизированные измерительные установки для определения зависимости теплофизических характеристик неньютоновских жидких материалов от скорости сдвига и температуры, и для исследования температурной зависимости теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности сыпучих материалов с учетом их порозности. Уникальные результаты получены в области аэродинамических методов и устройств для измерения параметров качества веществ на потенциально опасных производствах. Разработки преподавателей кафедры защищены более чем 200 авторскими свидетельствами и патентами, награждены дипломами и медалями международных выставок.
Кафедра автоматизированного электропривода и мехатроники – одна из ведущих кафедр Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. Кафедра готовит бакалавров и магистров по направлению «Мехатроника и робототехника», профиль «Мехатронные системы в автоматизированном производстве». Фундаментальная подготовка студентов проводится в соответствии с федеральными государственными образовательными стандартами. Широко представлены дисциплины, изучающие электронную и микропроцессорную технику, электрические машины и аппараты, силовую преобразовательную технику, теорию автоматического управления, а также специальные дисциплины: элементы систем автоматики, теория электропривода, системы управления электроприводов, электроснабжение, автоматизация, типовой автоматизированный электропривод по отраслям промышленности. После третьего курса предусматривается производственная практика, как правило, в цехах флагмана российской металлургической промышленности «Магнитогорского металлургического комбината». Также ежегодно лучшие студенты кафедры проходят международную производственную практику на металлургическом заводе «ММК Metalurji» г. Искендерун (Турция) и изучают системы электроприводов прокатных станов холодной и горячей прокатки, а также электрооборудование сверхмощной дуговой сталеплавильной печи и агрегата ковш-печь. Сотрудниками кафедры проводились и проводятся серьезные научные исследования в области автоматизированного электропривода металлургической и горной промышленности, опубликовано большое количество монографий и научных статей. Научные работы защищены авторскими свидетельствами и патентами. Преподаватели кафедры принимают активное участие в научно-технических конференциях различного уровня.
Кафедра технологии машиностроения, металлообрабатывающих станков и комплексов Аэрокосмического института Оренбургского государственного университета готовит специалистов-мехатронщиков. Здесь научат разработке проектов мехатронных модулей и систем с учетом механических, технологических, конструкторских, эксплуатационных, эстетических, экономических и управленческих параметров; использованию современных информационных технологий при проектировании и изготовлении мехатронных модулей и систем; моделированию мехатронных модулей и систем с использованием стандартных автоматизированных систем «KOMПАС3D», AutoCad, Autodesk Inventor, SolidWorks, Siemens PLM Software NX, Ansys, PowerMill, SprutCam; работе на станках с ЧПУ и в системах автоматизированного измерения деталей и инструмента, координатно-измерительной машине. Университетом заключены долгосрочные договоры на прохождение всех видов практик студентов с возможностью дальнейшего трудоустройства с ПО «Стрела», «Заводом бурового оборудования», НПО «Станкостроение». После обучения специалистов ждут на работу компании «Технология», «Оренбургнефтемаш», «Инженерные технологии», «Опытно-механический завод», «Оренбургский радиатор», «Механический завод» (г. Орск), предприятия оборонно-промышленного комплекса России.
Направление образовательной и научной деятельности кафедры морских информационных систем и технологий (МИСиТ) Санкт-Петербургского государственного морского технического университета связано с разработкой и проектированием информационных систем подводной морской техники, информационно-управляющих систем морской робототехники, исследованием физических полей морских объектов, вопросами электронной схемотехники, цифровой обработки гидроакустических сигналов, автоматики информационных систем, прикладного программирования, разработки специального программного обеспечения микропроцессоров, микроконтроллеров и микропроцессорных систем для автономных подводных аппаратов и роботов. В настоящее время кафедра ведет подготовку бакалавров, в том числе и по профилю «Информационное обеспечение робототехнических систем», направление «Мехатроника и робототехника». Целью программы является подготовка выпускников к разработке, проектированию, исследованию и производству информационно-управляющих систем робототехники, разработке специального программного обеспечения микроконтроллеров, микропроцессоров и микропроцессорных систем, аппаратных средств информационно-управляющих систем, в том числе интеллектуальных гидроакустических, оптических и других. Основные научные исследования кафедра ведет в области разработки информационных и интеллектуальных систем подводной морской техники и робототехники. Научные разработки ведутся совместно и по заказам ряда ведущих организаций. Это, в частности, разработка информационной системы для сверхмалого подводного аппарата по заказу концерна «Морское подводное оружие – Гидроприбор». Разработаны алгоритмы защиты информационных систем подводных роботов от естественных и искусственных помех для ЦКБ МТ «Рубин». Разработана информационная система распознавания подводных объектов по заказу «Секции прикладных проблем при президенте РАН и ВУНЦ ВМФ ВМА им. Н.Г. Кузнецова». По заказу компании «Аквамарин» проведено распознавание подводных объектов в условиях естественных и искусственных помех. На кафедре создан адаптивный компенсатор помех для малогабаритного подводного робота для Минобрнауки РФ. Разработана информационная управляющая система для малогабаритного подводного робота компании «Маяк».
Секция мехатроники кафедры промышленных технологий Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого также готовит специалистов по актуальному направлению. В свою очередь, крупные промышленные предприятия Новгородской области («Квант», «Новгородский завод ГАРО», «Азот») выпускают мехатронную продукцию и нуждаются в квалифицированных специалистах в этой области.
Кафедра электропривода Липецкого государственного технического университета готовит бакалавров по профилю «Приводы робототехнических и мехатронных систем». Базами практик для студентов являются структурные подразделения предприятий и организаций, связанных с машиностроением, приборостроением, металлургией. (НЛМК, «ИНДЕЗИТ ИНТЕРНЭШНЛ», «ЛеМаз»).
Кафедра «Механика и основы конструирования» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления является выпускающей кафедрой по направлению «Мехатроника и робототехника». Выпускники имеют возможность трудоустройства на Улан-Удэнский авиационный завод, «Желдорреммаш», Улан-Удэнское приборостроительное производственное объединение, «Улан-Удэстальмост», «Энерготехномаш».
Таким образом, можно говорить о том, что российская система подготовки специалистов в области мехатроники имеет уже довольно большую историю и наработанный опыт сотрудничества с предприятиями в разных сферах: от фармацевтики до машиностроения и космической отрасли. Наблюдая бурное развитие информационных технологий, можно быть уверенным и в дальнейшей востребованности специалистов-мехатроников. Будем надеться, что система высшего профессионального образования в России сможет справиться с новыми технологическими вызовами и обеспечит отечественную промышленность квалифицированными кадрами.
Журнал Prostoev.NET № 3(28) 2021
Т. ЛАПИН, спецкор ООО «Простоев.НЕТ»
