С чего начать обучение робототехнике?

На нашем портале, YouTube-канале, в TikTok и на других платформах мы уже давно рассказываем всем интересующимся про роботов. Мы делимся последними новостями из мира роботов, объясняем тонкости терминологии и стараемся систематизировать всю ту информацию, которая на данный момент существует в области робототехники. Тем не менее, один важный вопрос пока что не был нами затронут: как сделать свои первые шаги в этой сфере?

Что нужно знать?

Современная робототехника в своей основе включает в себя знания из областей программирования, механики, электротехники, электроники и автоматического управления. Что это означает для тех, кто собирается развиваться в этой сфере?

Для начала следует обучиться азам программирования, чтобы иметь возможность писать код для своих роботов. Программирование – это основополагающий элемент робототехники, который подразумевает, что нужно уметь работать с переменными, создавать условные операторы и использовать функции. Самыми популярными языками на данный момент являются Python и C++, но для более юных пользователей подойдут и упрощенные программы: софт для LEGO Mindstorms, языки Scratch и Blocky.

Желающим изучать робототехнику также пригодятся знания в области линейной алгебры, которые позволят подготовиться к созданию новых роботов. Базовые знания по алгебре необходимы как для программирования машины, так и для тонкой настройки ее кода. Если есть желание погрузиться в тему еще глубже, то можно начать изучение тригонометрии и статистики. Для создания базовых роботов достаточно линейной алгебры, однако более сложные устройства требуют изучения продвинутой математики.

Еще одна важная для робототехники наука – физика. Создание роботов предполагает понимание того, как устройство будет двигаться и взаимодействовать с внешним миром. Для этого, в свою очередь, требуется иметь достаточное представление о законах физики и о том, как именно их нужно применять в роботостроении. 

Наконец, не стоит забывать про информатику – еще одну важную науку для тех, кто собирается посвятить себя робототехнике. Изучение и создание роботов тесно связано с информатикой, и глубокое понимание этого предмета является ключом к робототехнике. Нужно постоянно практиковаться и изучать базовые навыки работы с компьютером. Также нелишним будет ознакомиться с программами для 3D-моделирования. Для учебных целей подойдут FreeCD или Компас 3D.

Однако все, что перечислено выше, – это только часть робототехники, ее теоретическая составляющая. Для того, чтобы развиться в этой сфере, необходимо также и получение практических знаний.

От теории к практике

Создание роботов – неотъемлемая часть робототехники. Без практики невозможно разобраться в том, как создавать роботов, писать для них код и как сделать так, чтобы они выполняли именно то, что от них требуется. Начать можно с простого – с наборов для создания роботов. Как только вы овладеете базовыми навыками робототехники, соберите своего робота, используя написание кода, математику и инструкции из набора.

Самые популярный конструктор на данный момент – LEGO Mindstorms EV3, который представлен в двух версиях: Home и Education. Версия Home больше подходят для детей и любителей, тогда как Education будет представлять больший интерес для учащихся (школьников или студентов) и учителей. LEGO дают возможность разработать и запустить робота с помощью несложного программирования, в результате чего он двигается, преодолевает препятствия и выполняет множество других задач.

Еще одна линейка конструкторов, которая позволяет освоить азы создания роботов, – это Meccano. Устройства от этого бренда представлены роботизированными животными: пауком и динозавром. Первый способен патрулировать местность и обходить препятствия, а второй – утвердительно или отрицательно отвечать на вопросы и рычать.

Этот же производитель также выпускает версию конструктора, из которого можно собрать робота ростом с ребенка (122 см) или его уменьшенную копию (61 см). Это устройство способно гулять с хозяином, танцевать, общаться, делать зарядку и повторять движения.

Но помимо создания роботов, нужно также уметь работать с электронными схемами внутри них. Помочь в этом может многоразовая макетная плата. Она позволяет легко соединять элементы между собой без спайки. Для более сложных устройств, микроконтроллеров, потребуется освоить пайку.

Для детей младшего возраста существует конструктор «Знаток». Он позволит научиться собирать несложные электронные схемы. Если же говорить о более сложных манипуляциях, то самыми популярными и доступными микроконтроллерами считаются Arduino. Они поддерживаются в нескольких операционных системах, отличаются быстротой и простой освоения, а также имеют развитое комьюнити, которое создает базы знаний и уроки.

Есть еще один вариант – Raspberry Pi Pico, самый современный контроллер. Он работает быстрее, чем предыдущие модели, поддерживает быстрый стандарт загрузки программы и отличается большим объемом памяти.

Конструирование роботов, написание кода, а также работа с электронными схемами – вторая важная составляющая обучения робототехнике. Теперь можно с уверенностью сказать, что мы разобрались в том, какими теоретическими и практическими знаниями нужно обладать, чтобы заниматься робототехникой. Но что это значит: «Заниматься робототехникой»?

Кем можно быть?

Как понятно из предыдущих раздела, робототехника – это достаточно широкая область знания, внутри которой можно развиваться в различных направлениях. Несмотря на то, что базовые знания для всех сфер будут одинаковыми, со временем придется чему-то уделять больше внимания, а чему-то меньше. Поэтому необходимо хотя бы приблизительно понимать, какое именно направление внутри робототехники вызывает у вас больший интерес.

Первая сфера – машиностроение. Внутри нее изучаются физическая оболочка робота (его тело), то есть то, через что машина будет взаимодействовать с миром. Это направление ориентировано на дизайн устройства и приведение его в действие. Главная задача машиностроения – сделать так, чтобы физические характеристики робота были подходящими для той работы, которую ему предстоит делать.

Вторая сфера – электротехника и электроника. Тот, кто решит сфокусировать свое внимание на ней, будет работать с «нервной системой» робота. Электротехники занимаются тем, что обеспечивают отклик системы. Чтобы написанная программа работала, электроника должна обеспечить принятие сигнала роботом.

Третья и последняя сфера – информатика. Специалисты в этой области создают программное обеспечение для роботов. Благодаря их работе устройства делают именно то, что от них требуется: в нужной последовательности, в достаточном объеме и в подходящем темпе.

Остался последний вопрос, который требует ответа: как изучить все то, о чем мы рассказали до этого? Есть несколько способов.

Откуда черпать знания?

Одним из самых продуктивных действий в этом направлении будет вступление в робототехнический кружок или запись на курсы. Там можно будет поделиться своей страстью с другими и получить совет. Если человек настроен серьезно, то робототехника перестает быть просто хобби, и неважно, где именно её осваивают – в университете или в районном клубе. Кроме того, среди людей со схожими интересами гораздо проще найти единомышленников, с которыми получится завязать длительные дружеские, а возможно и деловые отношения. Минусом может являться тот факт, что далеко не все клубы могут предоставить своим участникам достаточное оборудование. С другой стороны, с каждым годом эта проблема становится все менее актуальной.

Также стоит обратить внимание на многочисленные интернет-ресурсы, посвященные робототехнике и другим смежным темам. Robogeek – это площадка, специализирующаяся на новостях из сферы робототехники. Robroy знакомит читателей с последними прорывами в индустрии роботов. Еще один популярный новостной и справочный портал – Robotrends.

На Roboforum можно найти ответы на многочисленные вопросы из области робототехники или уточнить информацию, интересующую конкретно вас. Сайт Robotechmarket представляет большой список товаров для тех, кто хочет конструировать роботов: наборы, микроконтроллеры, датчики, модули, макетные платы. Для юных пользователей существует Edurobots – научно-популярный портал «Занимательная робототехника», на котором можно прочитать новости о последних событиях и конкурсах, подобрать литературу по теме или записаться на курсы.

В дополнение можно выделить форумы отдельно для программистов. Cyberforum подойдет для тех, кто владеет только русским языком. Тем же, кто владеет английским языком, за всеми ответами стоит обращаться к крупнейшему онлайн форуму по этой теме – Stack Overflow. У этого сайта также есть русская версия – Stack Overflow на русском. 

Наконец, не стоит забывать про литературу, изучение которой является полезным дополнением ко всему вышесказанному. Можно выделить следующие книги:

• «Основы робототехники», Анатолий Иванов. В этой книге описываются виды и классификации роботов, области их применения, а также их роль в производственном процессе.

• «Электроника для начинающих», Чарльз Платт. Книга о проектировании и создании электронных устройств. 

• Литература на английском языке – «Robot Building for Beginners», Дэвид Кук. Автор детально описывает устройство умных машин, формируя представление о конструировании роботов.

Итак, мы коротко перечислили все, что следует знать тем, кто хочет погрузиться в робототехнику. Любому, кто пойдет по этому пути, предстоит большой объем работы, однако это не означает, что дойти до конца невозможно. Главное оставаться верным своему делу и быть готовым преодолевать даже самые серьезные трудности. 

Материал подготовил: Егор Сипко
фото: Adobe Stock, Lego