Центр компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники»

Задачи Центра НТИ:

• Создание инфраструктуры для прорывных разработок и исследований в робототехнике;
• Создание образовательных программ и подготовка высококвалифицированных кадров;
• Создание новых наукоёмких продуктов и услуг в робототехнике в интересах партнёров.

Стратегические цели:

• Научно-техническое направление:
  • создание научно-методической базы данных для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований в области робототехники;
  • разработка комплекса научно-технических решений в сфере робототехники;
  • выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИР, НИОКР), индустриальных проектов, грантов по профилю центра в инициативном порядке и в соответствии с грантовой поддержкой, бюджетными и внебюджетными договорами;
  • формирование научной команды центра из ведущих ученых – лидеров в тематических областях;
  • разработка программ по защите и использованию РИД на существующих и вновь создаваемых рынках для формирования долгосрочной устойчивой работы центра.
    
    
• Направления образовательной деятельности:
  • формирование гибких образовательных программ и отдельных образовательных модулей мирового уровня для индивидуальных траекторий подготовки инженеров-робототехников с опытом проведения исследовательских и интеграционных работ и опытом командной работы при решении практических задач;
  • разработка и внедрение сетевых образовательных программ для бакалавров, магистров и аспирантов;
  • проведение молодёжных конференций, научных школ, семинаров, хакатонов и олимпиад по робототехнике и мехатронике;
  • создание образовательной онлайн-платформы по робототехнике и мехатронике.
    
    
• Формирование инфраструктуры:
  • создание инфраструктуры (лабораторная база) и экосистемы (передовые образовательные программы с тесной связью науки и индустрии), которые повысят научно-технический потенциал Российской Федерации, позволят проводить прорывные исследования и создавать новые продукты;
  • привлечение в консорциум промышленных партнёров для анализа, проработки и реализации запросов потенциальных заказчиков научно-исследовательских разработок.

За время существования Центра к консорциуму присоединилось более 60 организаций, были открыты 5 научно-технологических лабораторий - Промышленной робототехники, Автономных транспортных систем, Мехатроники, управления и прототипирования, Специальной робототехники, Нейронауки.

Преодоление технологических барьеров

• В 2020 году был разработан беспилотный самолёт вертикального взлёта и посадки (VTOL) - гибрид коптера и самолёта, который может работать дольше коптера за счёт аэродинамической подъёмной силы (крыла) и при этом не требует взлетно-посадочной полосы либо пускового устройства и парашюта, как обычные самолетные беспилотники. Может использоваться для доставки, картографии, мониторинга и проекта летающего такси. Центр технологий компонентов робототехники и мехатроники разработал 3 модели - разного размаха крыла, грузоподъёмности, полностью электрические и с ДВС.
  https://youtu.be/qCBwdosSqps
  
  
• В 2019 году началась и продолжается разработка посадочной станция беспилотного летательного аппарата. Посадочная станция беспилотного летательного аппарата нацелена на решение задачи расширения времени функционирования БПЛА. При разряде батарей коптер может автоматически выполнить посадку в станцию и продолжить мониторинг после заряда батарей. Также возможно осуществление мониторинга по расписанию. Аппарат оборудован герметичными крышками, обогревом для зимних условий. Сделали и испытали опытный образец.
  https://youtu.be/dAs48rKtT5o
  
  
• В 2019 году запущен проект «Реконфигурируемый тросовый робот для 3D-печати крупногабаритных изделий». Проект направлен на разработку технических решений для создания роботов для строительства зданий, сооружений и малых архитектурных форм методом 3D-печати бетоном. Низкая материалоёмкость и высокая энергоэффективность тросовых систем позволяют создавать роботов с большой рабочей областью. В отличие конкурентов на базе роботов с жёсткими звеньями, тросовые роботы могут осуществлять строительство домов в два этажа и более целиком, без необходимости переустановки робота. Благодаря свойству масштабируемости один и тот же тросовый робот может использоваться как для строительства зданий, так и для создания небольших арт-объектов. Высокая скорость работы тросового робота позволяет осуществлять постройку зданий быстрее традиционных технологий. А простота установки тросовых систем по сравнению с конкурирующими портальными роботами снижает время работы и стоимость по сравнению с другими решениями для 3D-печати бетоном.
  https://www.youtube.com/watch?v=dMq9EQMONM4&list=PL7AUJlgtCimu8fPxpe2zCT7Hn7a4E15O5&...
  
  
• Проект «Разработка систем интерактивного управления и программирования робототехнических систем, в том числе групп робототехнических систем» запущен 2019 году. Это многопользовательская система для интерактивного взаимодействия с роботами и группами роботов основанная на AR/MR/VR интерфейсах. Сейчас в рамках проекта на основе очков Microsoft HoloLens создается система управления коллаборативными роботами, включающая возможности просмотра состояния робота, планирования траектории движения и виртуальной симуляции движения в смешанной реальности.
  https://www.youtube.com/watch?v=iHbT8G_8mh0&list=PL7AUJlgtCimu8fPxpe2zCT7Hn7a4E15O5&...

Значимые результаты научно-исследовательской деятельности

• В 2020 году разработана цифровая платформа «смешанной реальности» для автомобильной промышленности - прототипирование и разработка решений на основе XR технологий в виде цифровых инструкций по технологическому процессу, а также навигация, интерактивное взаимодействие с робототехническими и прочим высокотехнологичным оборудованием в рамках парадигмы Индустрии 4.0. Технологии смешанной реальности позволяют сделать процесс программирования более эффективным, а специальные смарт-очки позволяют человеку координировать движения робота: реальный мир дополняют виртуальные объекты управления роботом – не нужно никаких дополнительных компьютерных аксессуаров, координация производится рукой пользователя в пространстве.
  https://www.youtube.com/watch?v=yWDBbw0ESxI&list=PL7AUJlgtCimu8fPxpe2zCT7Hn7a4E15O5&...
  https://www.youtube.com/watch?v=CtU7JjWJtZQ&list=PL7AUJlgtCimu8fPxpe2zCT7Hn7a4E15O5&...
  
  
• В 2020 году Центр Робототехники представил первый в России ударопрочный беспилотный летательный аппарат мультироторного типа новой конструкции с защитой от столкновений, сделанный по принципу тенсегрити «Тензодрон». Тенсегрити – принцип, который используется в архитектуре при строительстве мостов. Аппарат можно использовать для инспекции и картографирования помещений, а за счёт высокой прочности применять в труднодоступной для человека среде. Сейчас Тензодрон летает самостоятельно по заданной миссии, в том числе по GPS на улицах города. В перспективе аппарат доработают до новой возможности: БПЛА сможет изменять форму за счёт активного изменения длины стержней или натяжения тросов. Тензодрон с изменяемой в полете геометрией сможет, облетать пространства с большим количеством препятствий.
  https://youtu.be/x76mXg_6K80
  
  
• С 2019 года Центром активно ведется разработка комплекса автоматизированного изготовления модельной оснастки и изделий для моделирования в целом. В 2020 году была успешно разработана математическая модель для решения задачи повышения точности. Данная модель будет являться основой для программно-аппаратного комплекса, позволяющего обеспечивать заданную точность в 100 мкм при работе робота под нагрузкой, например, при выполнении операций фрезеровки. Такие комплексы будут востребованы как замена дорогостоящим станкам с ЧПУ при штучном и мелкосерийном изготовлении из различных материалов матриц и мастер-моделей, арт-объектов, уникальных декоративных элементов, прототипов.

Создание важных объектов инфраструктуры

• В 2020 году в промышленной лаборатории была открыта учебная ячейка на базе робота KUKA KR10 Sixx R1100 Agilus. Комплектация ячейки позволяет выполнять широкий круг лабораторных работ по изучению базовых возможностей промышленного манипулятора: систем координат робота, его кинематики, методов планирования движения и движения по заданной траектории, методов калибровки, захвата и перемещения объектов.
  
  
• В 2019 году Центром был реализован проект ДПО по направлениям «Робототехника» и «Методы и алгоритмы управления манипулятором с антропоморфным захватом». Программа «Робототехника» включает в себя модули «Основы робототехники» и «Динамика и управление робототехническими системами. Модули «Беспилотные летательные аппараты» и «Автономные транспортные средства» рассматривает вопросы устройства, моделирования, программирования и управления для беспилотных летательных аппаратов и автономных транспортных средств. Программа «Методы и алгоритмы управления манипулятором с антропоморфным захватом». формирует или совершенствует компетенции обучающихся по таким темам, связанным с управлением манипулятора, как «Кинематика манипулятора с антропоморфным захватом», «Дифференциальная кинематика и планирование движения», «Компьютерное зрение в робототехнике», «Взаимодействие робота и человека».

Внедрение и коммерциализация результатов деятельности Центра

• В 2020 году завершен проект «Создание коммерческого городского транспорта с интеллектуальной системой помощи водителю City Pilot», выполняемый в интересах ПАО «КАМАЗ». В рамках проекта была проведена разработка конструкции и изготовление экспериментальных образцов электрических автомобилей средней грузоподъемности «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9» с интеллектуальной системой помощи водителю City Pilot, соответствующей 3-му уровню по классификации ADAS (Advanced Driver Assistance Systems).
  https://www.youtube.com/watch?v=xGB2NR8qpKY&list=PL7AUJlgtCimu8fPxpe2zCT7Hn7a4E15O5&index=16

Создание и лицензирование РИДов

2017 г. – 2 патента на программы для ЭВМ;
2018 г. – 1 патент на изобретения, 11 патентов на программы для ЭВМ, заключено 5 лицензионных договоров;
2019 г. – 6 патентов на изобретения, 32 патента на программы для ЭВМ, 1 патент на промышленные образцы, заключено 12 лицензионных договоров;
2020 г. – 9 патентов на изобретения, 51 патент на программы для ЭВМ, 3 патента на промышленные образцы, 3 патента на полезные модели, 3 заявки на международную регистрацию патента на изобретение по системе PCT, заключено 14 лицензионных договоров.

В 2019 году сотрудниками Центра опубликованы 193 научные статьи, в том числе 108 статей, индексируемых в Scopus/WoS. В 2020 году 122 научные статьи, в том числе 105 статей, индексируемых в Scopus/WoS.

В консорциум центра под руководством Университета Иннополис вошли ведущие вузы страны, прикладные академические институты, иностранные партнёры из Франции, Китая, Дании, Швеции, Германии и Норвегии и индустриальные компании:

Научные и образовательные учреждения:

1. Московский институт электронной техники (МИЭТ)
2. Московский физико-технический институт (МФТИ)
3. Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ)
4. Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО)
5. Национальный исследовательский университет Высшая школа экономики (НИУ ВШЭ)
6. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского (ННГУ им. Н. И. Лобачевского)
7. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)
8. Тамбовский государственный университет им. Г.Р.Державина (ТГУ им. Г. Р. Державина)
9. Национальный исследовательский Томский государственный университет (ТГУ)
10. Донской государственный технический университет (ДГТУ)
11. Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)
12. Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ)
13. Удмуртский государственный университет (УдГУ)
14. Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова (ИжГТУ)
15. Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
16. Южно-Уральский государственный университет
17. Сколковский институт науки и технологий
18. Новгородский Государственный Университет им. Ярослава Мудрого
19. Севастопольский Государственный Университет (СевГУ)
20. IMT Atlantique (Франция)
21. Shenzhen Institutes of Advanced Technology (Китай)
22. AAlborg University (Дания)
23. Umea University (Швеция)
24. Lund University (Швеция)
25. Ruhr Universitat Bochum (Германия)
26. Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (Норвегия)
27. Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных и управляющих систем (НИИ МВУС)
28. Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН)
29. Институт машиноведения имени А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)
30. Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук (ИППИ РАН)
31. Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ)
32. ФГБУН Институт Проблем Морских Технологий ДВО РАН

Партнеры из индустрии:

1. FANUC
2. KUKA
3. ПАО «КАМАЗ»
4. ПАО «Сбербанк России»
5. Объединенный инженерный центр «Группы ГАЗ»
6. ПАО «Ростелеком»
7. ПАО «Аэрофлот»
8. ПАО «Научно-производственное объединение «Андроидная техника»
9. Avrora Robotics
10. ООО «Коптер Экспресс Технологии»
11. ООО «НТЦ «Аркодим»
12. ООО УРТЦ «Альфа-Интех»
13. ООО «Эйдос-Робототехника»
14. ООО «Розум Роботикс»
15. ООО «Вальтер Интеграция»
16. ООО «Вектор групп»
17. ООО «Финко»
18. ООО «ВР-Мастер»
19. ООО «Авиатех»
20. ООО Квантум-Системс
21. Велдинг Групп Самара (WGS)
22. ООО "ШУНК Интек"
23. ЗАО "Интеллектуальная механика"
24. ООО "BFG Group", ООО "BFG Robotics"
25. АО "Спецхимия"
26. ООО Розум роботикс
27. ООО "Аркодим"
28. ООО "Аркодим-Про"
29. ООО Территори ВР студио
30. ООО Роботроника
31. ООО "ВРМ ГРУПП"
32. ООО "Образовательная Робототехника"
33. ООО Прайд Тек
34. ООО "Артех"
35. ООО МГБот
36. АО «Казанский электротехнический завод»

Центр реализует федеральные и коммерческие проекты в области развития технологий робототехники, цифровизации производств, здравоохранения и образования. Разрабатываются решения на основе технологий антропоморфной и промышленной робототехники, смешанной и дополненной реальности, беспилотного транспорта и летательных средств.

Проекты в рамках программы Центра:

1. Разработка и применение промышленных коллаборативных роботов с интеллектуальной системой управления с использованием наблюдателя состояний и комплексирования обратной связи от внутренних и внешних измерительных систем.
2. Разработка методов повышения точности промышленных роботов-манипуляторов под внешней нагрузкой и интеграция решений в роботизированные ячейки по механообработке. (индустриальные партнеры - ООО «FANUC», ООО «СПРУТ-Технология»).
3. Разработка роботизированных комплексов для производства и восстановления крупногабаритных изделий методами аддитивных технологий.
4. Разработка алгоритмов управления и обработки сенсорной информации для автономного пилотирования транспортных средств в условиях бездорожья. (индустриальные партнеры - ПАО «КАМАЗ», ООО «Мэйл.ру», ПАО «Сбербанк»).
5. Разработка инновационных моделей электромобилей с модулями частичной автономности и интеллектуальными системами помощи водителю. (индустриальный партнер - ПАО «КАМАЗ»).
6. Разработка гибридных автономных транспортных средств.
7. Разработка решений на основе беспилотных летательных аппаратов для задач мониторинга территорий.
8. Разработка программного комплекса группового управления мобильными коллаборационными платформами для выполнения логистических и вспомогательных функций в замкнутых пространствах существенной протяженности.
9. Разработка роботизированных решений для внутреннего и внешнего обслуживания трубопроводов для нефтегазовой отрасли.
10. Разработка роботизированных платформ для автономной подземной, наземной и подводной инспекции местности в условиях трудной проходимости и плохой видимости.
11. Разработка методов моделирования и управления реконфигурируемыми гибридными кабельными роботами с учётом эластических деформаций механических элементов и применение их для задач покраски крупногабаритных изделий. (индустриальный партнер - ООО «Аркодим Про»).
12. Разработка робототехнических решений на основе кабельных роботов и мобильных платформ для возведения зданий и объектов инфраструктуры с использованием аддитивных технологий. (индустриальный партнер - ООО «Аркодим Про»).
13. Разработка исполнительных приводов нового поколения с изменяемой жёсткостью и алгоритмов управления ими (индустриальный партнер - НПО «Андроидная техника»).
14. Разработка систем интерактивного управления и программирования робототехнических систем, в том числе групп робототехнических систем.
15. Разработка сетевой инфраструктуры для автономных транспортных средств и вспомогательных сервисов на базе них.
16. Разработка методов управления робототехническими системами, включая системы реабилитации и обучающие системы, с использованием интерфейсов «мозг-компьютер» и технологий обратной связи.
17. Разработка систем управления робототехническими системами реабилитации моторной деятельности.
18. Разработка программно-аппаратного комплекса удаленной наладки, контроля за состоянием, сбора информации и предиктивного анализа отказов промышленных робототехнических систем.

Проекты лабораторий Центра вне рамок Программы:

1. Лаборатория Автономных Транспортных Систем
   
   Компетенции: автономные наземные транспортные средства, подводные и надводные роботы, групповое взаимодействие групп беспилотных аппаратов, разработка беспилотных автомобилей, симуляция работы беспилотных систем, разработка систем контроля действий водителя, разработка беспилотных железнодорожных систем, разработка систем распознавания и классификации знаков, разработка систем управления и обработки сенсорной информации.
   
   Проекты лаборатории 2020 года:
   — Создание цифровой платформы для развития производства перспективных гидроакустических станций для управляющих систем морских робототехнических комплексов и устройств подводной инфраструктуры (ПАО «Дальприбор» / Минпромторг РФ).
   — Определение принципов построения перспективной системы позиционирования беспилотного железнодорожного локомотива (МНиВО РФ / АО «РЖД»).
   
   
2. Лаборатория Мехатроники
   
   Компетенции: динамика и системы управления, человекоподобные роботы и промоутеры, исполнительные механизмы и системы, моделирование и проектирование сложных робототехнических систем, восприятие, манипуляция и телеуправление, мехатроника, сенсорика и очувствление, аддитивные технологии и прототипирование робототехнических систем, мобильная робототехника, сервисная робототехника.
   
   Проекты лаборатории 2020 года:
   — Интеллектуальные методы создания и улучшения примитивов движения для антропоморфных роботов.
   — Управление конечностями шагающего робота в различных режимах контактного взаимодействия с использованием методов глубокого машинного обучения.
   — Разработка методов управления двуногими шагающими роботами с упругими элементами, перемещающимися по опорным поверхностям сложной формы.
   — Разработка математического аппарата для моделирования, проектирования и управления робототехническими системами с напряжённо-связанными структурами с переменной жёсткостью.
   — Разработка модели жёсткости и методов компенсации ошибок податливости для шагающих антропоморфных платформ.
   — Методология управления шагающими роботами на основе выпуклого программирования для выполнения сложных движений.
   — Разработка робототехнических платформ параллельного типа с использованием приводов на основе скручивания нитей.
   — Разработка программного обеспечения серверной части робота хирурга (АО “Казанский Электротехнический Завод”).
   
   
3. Лаборатория Специальной робототехники
   
   Компетенции: беспилотные летательные аппараты, групповое взаимодействие групп летательных аппаратов, системы воздушного обследования местности, системы автономного воздушного обследования местности, системы автономного картографирования на базе БПЛА, изготовление БПЛА с использованием композитных материалов, создание безопасных, удароустойчивых БПЛА.
   
   Проекты лаборатории 2020 года:
   — Тензодрон: Разработка демонстрационного образца защищенного БПЛА для инспекций помещений и труднодоступных объектов.
   — Навигационная карта для беспилотного движения на основе ЦММ (ПАО «Газпром нефть»)
   
   
4. Лаборатория Промышленной Робототехники
   
   Компетенции: метрология и калибровка, коллаборативная робототехника, разработка роботизированных ячеек, разработка систем компенсации жесткости промышленных роботов, разработка роботизированных фрезеровочных систем, разработка комплексов с силомоментной обратной связью, разработка комплексов для изготовления модельной оснастки для литья, применение дополненной реальности для взаимодействия с роботом.
   
   Проекты лаборатории 2020 года:
   — Разработка системы для оптимизации складских процессов, основанной на смешанной реальности.
   — Разработка моделей, методов и алгоритмов для калибровки параллельных роботов с гибкими связями.
   — Разработка методов моделирования робототехнических систем с механической податливостью и дефицитом/избытком управляющих воздействий и алгоритмов управления положением и свойствами упругости системы.
   — Разработка программного комплекса автоматической генерации программ для промышленных роботов-манипуляторов (ПАО «КАМАЗ»).
   — Разработка цифровой платформы смешанной реальности для автомобильной промышленности (ПАО «КАМАЗ»).
   — Разработка программного комплекса «Хирургического Ассистента Медицинской Робототехники» (ООО "Полар").
   — Пуско-наладка и ввод в эксплуатацию роботизированного фрезерного комплекса на базе промышленного робота KUKA KR 240 R2900 Ultra (ФГАОУ ВО КФУ).

Центр компетенций в лице университетов-членов консорциума готовит высококвалифицированных специалистов по основным образовательным программам высшего образования, проводит повышение квалификации, организовывает обучение по дополнительным общеобразовательным общеразвивающим программам для детей и взрослых, осуществляет научное руководство студентами и их проектной деятельностью.

Образовательные программы:

Центр компетенций в лице университетов-членов консорциума готовит высококвалифицированных специалистов по основным образовательным программам высшего образования, проводит повышение квалификации, организовывает обучение по дополнительным общеобразовательным общеразвивающим программам для детей и взрослых, осуществляет научное руководство студентами и их проектной деятельностью.

1. БАКАЛАВРИАТ
   • 15.03.06 Мехатроника и робототехника
   • 09.03.01 Информатика и вычислительная техника
   • 15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств
   • 27.03.04 Управление в технических системах
2. МАГИСТРАТУРА
   • 15.04.06 Мехатроника и робототехника
   • 09.04.01 Информатика и вычислительная техника
   • 15.04.04 Автоматизация технологических процессов и производств
   • 27.04.04 Управление в технических системах
3. АСПИРАНТУРА
   • 05.02.05 Роботы, мехатроника и робототехнические системы
   • 05.13.11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей
   • 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации
   • 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами
   • 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

В рамках реализации программы создания и развития Центра НТИ в 2018-2020 годах силами Центра НТИ и консорциума было подготовлено более 150 специалистов программ бакалавриата, 91 специалист магистратуры.

Начиная с 2019 года были разработаны программы дополнительного образования:

• «Калибровка и планирование движения промышленных роботов»
• ПЦС «Робототехника»
• «Методы и алгоритмы управления манипулятором с антропоморфным захватом»
• «Методы и алгоритмы управления промышленными роботами. Кинематика»
• «Робототехника»

В работе Центра принимают участие более 100 сотрудников. Среди них:

• Булат Камилевич Шамсутдинов, директор Центра
  b.shamsutdinov@innopolis.ru
  
  
• Александр Васильевич Малолетов, заместитель руководителя центра, профессор, д.ф.-м.н
  a.maloletov@innopolis.ru
  
  
• Алексей Михайлович Шилин, заместитель директора Центра
  a.shilin@innopolis.ru
  
  
• Эльза Ильдаровна Мухаметшина, заместитель директора Центра, к.т.н.
  e.mukhametshina@innopolis.ru
  
  
• Юлия Анатольевна Валиулина, заместитель директора по международным проектам
  y.valiulina@innopolis.ru
  
  
• Салимжан Азатович Гафуров, Ph.D., к.т.н, руководитель лаборатории автономных транспортных систем
  s.gafurov@innopolis.ru
  
  
• Игорь Юрьевич Гапонов, руководитель лаборатории мехатроники, управления и прототипирования, профессор
  i.gaponov@innopolis.ru
  
  
• Ксения Михайловна Шашкина, руководитель лаборатории специальной робототехники
  k.shashkina@innopolis.ru
  
  
• Александр Евгеньевич Храмов, руководитель лаборатории нейронауки и когнитивных технологий, профессор, д.ф.-м.н
  a.hramov@innopolis.ru
  
  
• Артур Николаевич Шимановский, руководитель лаборатории промышленной робототехники
  a.shimanovskiy@innopolis.ru