Мехатроника и робототехника

Чем занимается мехатроника

Первоначальная задача мехатроники — сконструировать механизм, который приводится в движение с помощью электричества и управляется программно. Со временем перед специалистами вставали новые проблемы, для решения которых приходилось искать ответы в других областях науки. Теперь сложные мехатронные системы должны не просто двигаться, подчиняясь командам компьютера, но и собирать и анализировать внешние данные, делать соответствующие выводы и менять свое поведение, используя встроенные алгоритмы.

системы мехатроники

Обязательно предусматривается возможность взаимодействия с оператором. Все компоненты такой системы связаны воедино, обмениваются информацией и энергией. Но соединить разнородные детали и снабдить их источником питания недостаточно: мехатронная система должна обладать новыми особенностями, не характерными для ее звеньев, чтобы эффективно функционировать.

Автоматы, способные передвигаться и реагировать на внешнюю среду, обладающие зачатками искусственного интеллекта, заставляют вспомнить и о роботах. В самом деле, робототехника — одно из направлений мехатроники. Поэтому современная мехатроника и робототехника изучаются в комплексе, чтобы будущие специалисты реализовали свои таланты в разных отраслях, занимались как сугубо теоретическими задачами, так и решали производственные вопросы.

Эти ветви знания с каждым днем все сильнее влияют на нашу повседневную жизнь. Сферы их применения не ограничиваются промышленностью, военными операциями, космическими исследованиями, работой с опасными веществами и представлениями с участием андроидов и зооморфных роботов.

зооморфный робот

Компьютеры, стиральные машины и другая бытовая техника, кресла для инвалидов, офисное оборудование, автопилот и система автоматической парковки в машине, тренажеры-симуляторы для медиков, пилотов и водителей — в создании и совершенствовании этих приспособлений проявили себя профессионалы от роботостроения и мехатроники.

Когда и как начинать подготовку?

Если хотите, чтобы в будущем ребенок имел достойную зарплату и интересную профессию, уже сегодня необходимо задуматься над его образованием. Можно купить робототехнику, самостоятельно изучить мастер-классы и заняться обучением. Такой подход имеет довольно много сложностей: — нужно выделить время для занятий; — найти робототехнический конструктор, чтобы он соответствовал возрасту и особенностям развития ребенка; — заняться самообразованием. Не каждый может позволить себе купить робототехнику, поскольку стоимость ее измеряется десятками тысяч рублей. Даже на начальном уровне придется выложить крупную сумму. Поэтому особую актуальность приобретают различные кружки. Есть они во многих городах. Знакомство с ними лучше начинать с официального сайта и встречи с педагогом. Первый позволяет получить общую информацию: — по какой программе идет образовательный процесс; — какие типы робототехнических конструкторов используются; — есть ли сертификаты для ведения образовательной деятельности.

Общее описание практической составляющей

Что нам даёт мехатроника? Что это такое с точки зрения практики создания? Давайте рассмотрим общую схему построения машин, которые имеют компьютерное управление и ориентированы на то, чтобы автоматизировать производственные и бытовые задачи. Внешней средой для них является технологическое окружение, с которым будет происходить взаимодействие.

Когда мехатронная система выполняет свои функции, то это происходит благодаря рабочим органам. Следует отметить, что данное научное направление является довольно молодым, в нём много неточностей и расплывчатых формулировок даже в научной литературе, поэтому со временем некоторые теоретические принципы могут поменяться. Мехатронные системы формируются из трех частей, которые связаны между собой информационными и энергетическими потоками:

Электромеханической. Сюда относят механические звенья, передачи, электродвигатели, сенсоры, рабочий орган, дополнительные электротехнические элементы, сенсоры. Все составляющие применяются для того, чтобы обеспечить необходимые движения

Особую важность для корректного выполнения поставленных задач имеют сенсоры. Они собирают данные про состояние объекта работ и внешней среды, непосредственно мехатронного устройства и его составляющих.
Электронный

Сюда относят микроэлектронные устройства, силовые преобразователи и измерительные цепи.
Компьютерной. Сюда относятся микроконтроллеры и электронно-вычислительные машины высшего уровня.

Кем могут работать молодые специалисты в обозримом будущем?

В рамках проекта «Профессии города будущего» агентство инноваций, расположенное в столице, разработало перечень наиболее востребованных должностей на ближайшие десятилетия: — Оператор дронов. Беспилотные технические устройства смогут доставлять любые предметы в труднодоступные места, заниматься исследованием наводнений, лесных пожаров, измерять различные показатели в атмосфере. — Проектировщик медицинских автоматизированных систем. В данном случае работа в области робототехники предполагает сочетание трех основных профессий: программиста, медицинского специалиста, механика. — Робототехник. Занимается разработкой механики, составлением программ, электроникой. Такая профессия предполагает коллективный труд, поскольку создание и обслуживание робота является трудоемким занятием. — Механик электромобилей. Специалист занимается ремонтом и обслуживанием электромоторов инновационных машин. — Инженер беспилотных электромобилей. В обязанности входит разработка отдельных блоков, отладка и испытание электронных систем. Работа в области робототехники скоро займет место рядом с авиацией, производством электроэнергии и интернета. По оценке Европейской комиссии, через 4 лет объем мирового рынка по данному направлению достигнет 120 млрд евро.

Степень: Академический бакалавр

Наиболее распространенные экзамены при поступлении:

• Русский язык
• Математика (профильный) — профильный предмет, по выбору вуза
• Физика — по выбору вуза
• Химия — по выбору вуза
• Информатика и информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) — по выбору вуза
• Иностранный язык — по выбору вуза

Мехатроника – научная сфера, занимающаяся изучением объединенных компьютерных и электротехнических компонентов, на основании которых проектируются и создаются инновационные системы и машины. Робототехника – научная область, нацеленная на разработку и конструирование роботов и систем, способных заменить труд человека и автоматизировать сложные технологические процессы. В настоящее время данные отрасли активно расширяются, привлекая новые талантливые умы для совершения инновационных открытий и создания оптимальной продукции. Ввиду перспективности направления многие выпускники, хорошо разбирающиеся в точных науках, сегодня стремятся поступить на специальность 15.03.06 «Мехатроника и робототехника». Это довольно сложная отрасль, требующая глубоких математических знаний, поэтому освоить ее удается не всем.

Анатолий, ЯрГУ им. П.Г. Демидова

В детстве всегда привлекали роботы. Хотел научиться делать их сам. Но специальности робототехники в городе не было. Решил поступить в университет на специальность радиофизика и электроника (так она так называлась). Подумал, что научившись работать с электронными компонентами смогу делать роботов. Так получилось, что на одной из кафедр начинали работать над мобильным манипулятором (маленький 3-х звенный манипулятор, установленный на гусеничную платформу). Над управлением платформой уже работали. Но были нужны студенты, которые займутся его управлением. Одним из них стал я. И в итоге защитил диплом по тематике разработки алгоритма управления манипулятором.

Так как я поступил на физический факультет, то в большей степени нам преподавали теорию. Есть и прикладные специальности, например, радиотехника и инфокоммуникационные технологии. Без общей физики, мат анализа, дифференциальных уравнений не обошлось. Иначе бы не поняли оставшийся материал. Изучал аналоговую и цифровую электронику, теорию цепей и сигналов.

На нашем факультете программирование воспринимается как способ решать задачи моделирования различных радиофизических процессов. И, исходя из этого, нас учили не самому программированию, не искусству написания программ, а через программирование объяснили суть и механизмы процессов. И занимались мы этим на Turbo Pascal. Требовали от нас не красивого кода и быстро работающей программы, а верного вывода данных для любых начальных условий. Изучали объектно-ориентированное программирование на Delphi, но на нем тоже преподавали основную суть. Так же были и более специфичные среды для моделирования (Mathcad, Matlab). Был курс программирования микроконтроллеров на ассемблере.

Я считаю что для этой специальности таких курсов вполне достаточно

Самое важное, что изучался не определенный язык программирования, а принцип, как заставить компьютер выполнить необходимые действия. И это очень помогло мне в дальнейшем изучить почти самостоятельно С для программирования микроконтроллеров AVR и C# для создания программы управления с графическим интерфейсом

Конечно, уровень, на котором изучил языки чисто любительский, но для решения задач хватает.

На кафедре, на которой я учился (сейчас она называется Инфокоммуникационные технологии), если у студента была идея то ее обязательно продвигали. Потому что намного приятнее заниматься тем, что интересно. Так что свои проекты очень поощрялись. Особенно, если проект был интересный и полезный не только для студента.

Я занимался алгоритмом управления манипуляторов. Задача состояла в том, чтобы решить обратную задачу кинематики для конкретной модели, которая была на кафедре, и реализовать его на микроконтроллере (микроконтроллер нужен для управления сервоприводами, которые вращают звенья манипулятора). В итоге получил робота, которым можно было управлять вручную через установленное на компьютере ПО или с помощью клавиатуры, геймпада, сенсорный экрана и leap motion — устройства, которое определяет положение ладони человека над собой. Реализовал автономные режимы: от банального перекладывания предметов, как конвейерный робот, до рисования букв и слов.

Преподают в университете хорошо. Преподаватели знают свой предмет, умеют рассказать и объяснить его студенту. Все, чего хотел от учебы, я получил. И сбылась моя мечтал сделать робота, хоть он пока что недостаточно умный.

После окончания университета я не стал работать в робототехнике, потому что в Ярославле нет работы в этой сфере (кроме образования), а переезжать не хотелось.

Области робототехники

Применяются роботы самых различных сферах, но основными являются следующие:

• Промышленность: промышленные роботы;
• Исследовательская деятельность: роботы-ученые, исследователи;
• Боевые роботы: безпилотники, роботы-саперы, охрана и безопасность;
• Нанотехнологии: микро- и нано-роботы в исследовательских и медицинских целях;
• Домашние технологии: бытовые роботы, пылесосы, мойщики окон и персональные.

В сфере промышленности роботы позволяют выполнять большой объем работ с высокой скоростью и точностью. Они позволяют решать такие задачи, с которыми невозможно справиться человеческими силами.

Очень многие места нашей планеты и за ее пределами не исследованы по той причине, что делать это человеку невозможно. Например, о том, что творится в океанных глубинах и в космосе мы знаем благодаря роботам-исследователям.

Рост инновационных технологий позволяет оптимистически смотреть в будущее. Робототехника стремительно развивается, открывая человечеству новые возможности.

Плюсы и минусы мехатроники и робототехники как специальности

До того, как принимать окончательное решение о поступлении на обучение по специальности «Мехатроника и робототехника», следует основательно взвесить все «за» и «против» этого шага. К однозначно положительным сторонам данной специализации можно отнести следующие ее особенности:

• Высокие зарплаты. В сфере робототехники ведущие специалисты даже в России могут зарабатывать более 300 тыс. рублей в месяц, если участвуют в важнейших инфраструктурных проектах, военной или космической отрасли.
• Востребованность за рубежом. Эффективные специалисты по мехатронике и робототехнике с легкостью находят возможность для работы на международные корпорации и имеют превосходные перспективы для трудоустройства за границей с очень высоким уровнем заработной платы.
• Широкий спектр компетенций. Получив образование в рассматриваемой сфере, человек получает возможность работать не только непосредственно по направлению робототехники, но в целом становится компетентным в широкой сфере отраслей специалистом, что упрощает возможности по трудоустройству.
• Профессия будущего. Робототехника становится с каждым годом все более востребованной и высокооплачиваемой сферой деятельности, и поэтому выбор такого образования — хороший залог обеспечения себя трудоустройством и высокой оплатой труда не только сегодня, но и в будущем.

Конечно, есть у данного образовательного направления и ряд существенных недостатков, с которыми тоже лучше будет ознакомиться заранее. К минусам этой специализации можно отнести следующие факторы:

• Низкая востребованность на российском рынке труда. Непосредственно в сфере робототехники специалисты в Российской Федерации не слишком востребованы — и вакансий по прямому направлению деятельности сейчас крайне мало, а конкуренция на них очень высока.
• Слабая образовательная база. Так как мехатроника и робототехника является относительно новой специальностью, образовательные программы в этом направлении могут очень серьезно отличаться в зависимости от ВУЗа и часто не дают достаточного количества необходимых для успешного трудоустройства знаний и навыков.
• Большая конкуренция среди абитуриентов. Поступить на обучение по данному направлению может быть очень сложно, так как количество мест и ВУЗов, где изучается эта дисциплина, крайне ограниченно.

Преимущества окончания магистратуры

Балакавриат нередко приравнивают к колледжу. Обучение в магистратуре идет по более углубленным программам. Магистры являются более подготовленными, технически подкованными, что дает им преимущество не только при трудоустройстве, но и в оплате труда.

К другим достоинствам магистратуры можно отнести:

• подготовка профессионалов международного уровня: у магистра больше шансов получить хорошую должность в зарубежной компании;
• освоение навыков подготовки самостоятельных исследований в конкретной научной области;
• возможность заблаговременно выбрать сферу деятельности, улучшить свою подготовку.

Мехатроники трудятся над разработкой неизвестных систем, развивают стартапы, становятся частью команд научных институтов, частных и государственных предприятий.

Где, как и кем работать

Выпускник сможет проектировать составные части и целые мехатронные системы, разрабатывать для них документацию и оформлять патенты, собирать, испытывать, совершенствовать, корректировать и чинить механизмы. Также можно заняться исследовательской работой или преподаванием, ведь наука не стоит на месте, а передавать знания нужно и новому поколению коллег, и работникам других отраслей, в которых используются автоматы и роботы.

разработчик

Перспективы и заработок инженеров зависят от опыта и сферы деятельности. Заработная плата варьируется: молодой техник может рассчитывать на 30 тысяч рублей, при наличии опыта доход в два раза больше, а для высококвалифицированного разработчика — до 100 тысяч и выше, особенно на руководящей должности. При наличии деловой хватки возможно открытие собственного дела.

Будь то частное или государственное предприятие, производственное, коммерческое, научное или образовательное учреждение, работа найдется всегда: мехатроников и робототехников не хватает, в дальнейшем спрос на них будет расти, а свежие силы требуются в любой области, где не обойтись без высоких технологий.

Квалификация: ТЕХНИК-МЕХАТРОНИК*

Специальность входит в ТОП-50 наиболее востребованных на рынке труда новых и перспективныхпрофессий среднего профессионального образования

Процесс автоматизации, позволяет осуществлять управление технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставляет за человеком право принятия наиболее ответственных решений. В состав автоматизированных систем входят как механические составные части, так и электронное оборудование. Основу системы составляет управляющая часть на базе микроконтроллера. Это «мозг» любой автоматизированной системы.

Обеспечивать работоспособность мехатронных систем и роботизированных комплексов призван техник-мехатроник. Он осуществляет работы по монтажу, диагностике и ремонту мехатронных систем, контролирует их работоспособность и занимается программированием управляющей системы, согласно поставленным производственным задачам. Появление в Санкт-Петербурге, предприятий ведущих мировых компаний, имеющих автоматизированные линии производства, диктует повышение спроса в соответствующей отрасли.

Основные виды деятельности:

• монтаж, программирование и пуско-наладка мехатронных систем;
• техническое обслуживание, ремонт и испытание  мехатронных систем;
• разработка, моделирование и оптимизация работы мехатронных систем;
• эксплуатация мобильных робототехнических комплексов;
• конструирование, монтаж, техническое обслуживание и ремонт мобильных робототехнических комплексов.

Область профессиональной деятельности выпускников: ракетно-космическая промышленность; производство машин и оборудования; производство электрооборудования, электронного и оптического оборудования; автомобилестроение; авиастроение; сквозные виды профессиональной деятельности в промышленности.

Объекты профессиональной деятельности выпускников:  технические средства и системы автоматического управления, в том числе технические системы, построенные на базе мехатронных модулей, используемых в качестве информационно-сенсорных, исполнительных и управляющих устройств, необходимое программно-алгоритмическое обеспечение для управления такими системами;техническая документация, технологические процессы и аппараты производств (по отраслям);метрологическое обеспечение технологического контроля, технические средства обеспечения надежности;первичные трудовые коллективы.

Техник готовится к следующим видам деятельности:

—       Монтаж, программирование и пуско-наладка мехатронных систем.

—       Техническое обслуживание, ремонт и испытание мехатронных систем.

—       Разработка, моделирование и оптимизация работы мехатронных систем.

—       Выполнение работ по рабочей профессии «Слесарь по контрольно-измерительным приборам и автоматике» (18494).

Лаборатории по специальности:

—         электронной и вычислительной техники;

—         электрических машин;

—         пневматики и гидравлики;

—         лаборатория мехатроники (автоматизации производства);

—         программируемых логических контроллеров.

Мастерские по специальности:

—       Слесарная.

—       Электромонтажная.

—       Модульных производственных систем.

База производственной  практики обучающихся  и  предприятия-партнёры:

ООО «Ниссан Мэнуфэкчуринг Рус», ООО «ТЭПЛОЭНЕРГО», АО «НПП «Радар ММС», ОАО «Авангард», АО «Таурас-Феникс», ООО «Нордфил», АО «Компрессор», ООО «Всеволожский крановый завод», ЗАО «Фортекс», АО «НПО Поиск», ОАО «МЗ «Арсенал» и др.

Ведущие ВУЗы, принимающие на обучение выпускников по специальности:

—       Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова

—       ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения».

Возможные медицинские противопоказания для обучения по данной специальности: заболевания опорно-двигательного аппарата (плоскостопие, радикулит); заболевания сердечно-сосудистой и нервной систем, дыхательных органов (бронхиальная астма); сниженное зрение (не компенсируемое очками); повышенная чувствительность к воздействию химических веществ.

Наука мехатроника

Сферы применения мехатроники и робототехники не ограничиваются промышленностью, военным делом, работой с опасными средами, космонавтикой, представлениями андроидов. Эти науки все чаще требуются в повседневной жизни для житейских нужд и облегчения бытовых проблем. Профессионалы приложили руку ко многому, что окружает современных людей — бытовой технике, ассистентам водителей, тренажерам стимуляторов для медицинских нужд.

Мехатронные системы формируются из нескольких составляющих, связанных энергетическими и информационными потоками:

1. Электромеханическая. К ней относятся двигатели, сенсоры, рабочие органы, передачи, электродвигатели. Компоненты обеспечивают цикл движения аппаратов. Корректная работа механизмов невозможна без сенсоров. На них возложен сбор информации о состоянии внешней среды, объекта работ, составляющих мехатронного агрегата.
2. Электронная. К этой категории относятся измерительные цепи, театральные преобразователи, микроэлектронные устройства.
3. Компьютерная. В категорию включены ЭВМ высшего уровня и микроконтроллеры.

Функции мехатронных систем

Мехатроника призвана решать проблемы преобразования входящей информации в требуемые механические движения. При их проектировании используется принцип обратной связи. Это означает интеграцию нескольких элементов разной природы в один функциональный модуль. Специальность людей, которые занимаются выполнением операции, может быть разной. В идеале при полном предоставлении нужной информации удается достичь планируемого результата.

Среди функций, присущих мехатронным системам, выделяют четыре наиболее важные:

• управление механическим движением с одновременной обработкой поступающих от сенсоров данных;
• согласование действий с внешними источниками влияния;
• взаимодействие с оператором в режиме реального времени или автономно;
• организация обмена информацией между всеми элементами системы.

Преимущества направления

Мехатроника и робототехника активно развиваются. При этом новые специалисты используют в работе накопленный опыт и готовы к изучению данных.

Преимущество дисциплины по сравнению с обычными средствами автоматизации:

• относительно низкая стоимость, достигаемая интеграцией, стандартизацией и унификацией элементов;
• точная реализация сложных движений за счет методики интеллектуального управления;
• долговечность, надежность, помехозащищенность;
• компактность и совместимость модулей;
• отличные динамические и массогабаритные характеристики.

Краткое описание

В недалеком будущем большее количество рутинной бытовой работы будут выполнять машины. Всего через несколько десятков лет за обучение и воспитание детей будут нести ответственность роботы-няни, пожилым и болеющим людям помогут роботизированные сиделки. Роботы смогут взять на себя обязанности кассиров, посудомоек, водителей и даже врачей, вытеснив с кадрового рынка огромное количество профессий. Уже сегодня производят машины, которые могут выполнять ряд полезных функций:

• мойка окон,
• сухая уборка помещений,
• уход за садом и другие.

Например, ученые из Японии создали робота-медведя ROBEAR, который облегчит процесс ухода, подарит заряд положительных эмоций людям с ограниченными возможностями, пенсионерам и тем, кто страдает от ряда заболеваний. Однако разработка таких машин находится в зачаточной стадии, поэтому рынок труда испытывает потребность в проектировщиках домашних роботов.

Навыки молодых специалистов

ВУЗы обучают широкому спектру навыков. Освоив стандартную программу, молодые специалисты приступают к работе по специальности.

Успех в своем деле им гарантируют такие умения:

• проведение оценки актуальности и значимости проектов;
• контроль разработок на соответствие стандартам;
• создание программного обеспечения для управления приборами;
• разработка макетов модулей систем (информационных, электрогидравлических и других);
• составление патентных и лицензионных паспортов;
• сбор, изготовление и испытание агрегатов;
• модернизация и отладка мехатронных систем;
• описание и подготовка инструкций по эксплуатации приборов.

Происхождение терминов

Отвечая на вопрос, что за профессии мехатроника и робототехника, следует рассмотреть историю возникновения понятий. Мехатроника — итог слияния механики и электроники. Слово введено в научный обиход японской компанией Yaskawa Electric Corp в 1969 году. В России его широко употребляют с 1990-х годов.

Первичная задача мехатроники — конструирование механизмов, работающих от электросети и регулируемых с помощью программ. Требования к сложным механическим системам растут. Первоначально ученые изобрели электропривод, используемый для обозначения механических агрегатов, питающихся от электросети. Это был важный шаг к автоматизации производственных процессов.

Решение новых технических задач требовало усложнения мехатронных систем. Теперь они должны были не просто работать от сети, но и подчиняться программе компьютера, собирать данные, менять поведение согласно встроенным алгоритмам. Компоненты систем являются единым целым и управляются с помощью операторов. Однако соединить элементы и узлы, обеспечить им электрический ток и программное обеспечение недостаточно. Для эффективного функционирования у мехатронной системы должны быть новые особенности, не свойственные ее звеньям.

Автоматы, которые передвигаются, реагируют на изменение внешних условий, имеют зачатки искусственного интеллекта.

Моя работа имеет смысл

Что я даю этому миру? Да, вопрос достаточно избитый, и в нем много патетики, но в той или иной форме он посещает очень многих. Деньги перестали радовать? Представляете, и такое возможно. Когда все, что ты делаешь, кажется мелким и незначительным.

Что делать?

Одна стилист всегда рекомендовала своим клиенткам отойти от зеркала на пять шагов. Хороший совет в любой ситуации.Большое видится на расстоянии. Каждый из нас выполняет работу, которая часто является лишь пазлом в одной огромной мозаике. Отойдите на пять шагов и посмотрите, действительно ли эта мозаика будет цельной и законченной, если вашего кусочка в ней не будет? Вы увидите, что нет.