Автор: Алексей Бурков. Решил написать свои размышления по поводу развития робототехники в России и что должно быть в федеральной программе робототехники предложенной В.В. Путиным.

История вопроса

Во время конференции ROS Russian Meetup будет проведена панельная сессия по обсуждению предложений к поручению Президента РФ В.В. Путина Правительству РФ по развитию отечественной робототехники, прозвучавшему в рамках конференции по искусственному интеллекту и машинному обучению Artificial Intelligence Journey 2022 на тему «Технологии искусственного интеллекта для обеспечения экономического роста».

Цитата из выступления В.В. Путина: «Прошу Правительство разработать и утвердить новый федеральный проект по развитию отечественной робототехники, определить правовой, налоговый, регуляторный режим, необходимые меры государственной поддержки, а также механизм финансирования разработок и их последующего внедрения.»

Президент Владимир Путин поручил правительству до 1 июля утвердить федеральный проект по развитию отечественной робототехники. Поручение опубликовано на сайте Кремля.

В федеральном проекте должны быть определены правовые, налоговые и другие условия, касающиеся развития производства и внедрения промышленных роботов в России, меры господдержки и целевые параметры развития отрасли, включая финансирование исследовательских работ. Проект должен учитывать обеспечение «ежегодного сокращения отставания количества таких роботов на 10 тыс. производственных рабочих в стране от среднемирового уровня». Ответственным назначен премьер министр Михаил Мишустин.

В российском сообществе ROS создана инициативная группа из участников сообщества, которая занимается сбором предложений к федеральному проекту для последующей их систематизации и подачи правительству.

Свои предложения по развитию отечественной роботехники можно отправить через форму.

В статье далее будут изложены личные размышления и предложения от физического лица, для обсуждения в комментариях или на ROS Meetup 17 Февраля.

Введем некоторые определения и термины перед началом обсуждения

ROS (Robot Operating System) — это набор программ с открытым исходным кодом, которые помогают исследователям и разработчикам создавать и повторно использовать код между роботами. Таким образом вы можете полностью запрограммировать и создать своего робота на уже готовых открытых программных компонентах, это очень сильно удешевляет и ускоряет разработку. За время своего существования он стал стандартом в международной робототехнике. Данную технологию невозможно заблокировать санкциями, так как весь исходный код открыт.

ROS2 (Robot Operating System 2) — версия для промышленных роботов, обеспечивающая работу в реальном времени и промышленному протокол стандарта DDS(Data Distribution Service). Данную технологию невозможно заблокировать санкциями, так как весь исходный код открыт.

micro ROS — версия ROS2 для микроконтроллеров. Данную технологию невозможно заблокировать санкциями, так как весь исходный код открыт.

ROS пакет — сущность в ROS, в которую объединяют различные данные и робототехнические алгоритмы по смыслу, чтобы получилась логически завершенная функциональность. При этом необходимо создавать пакет так, чтобы он оказался полезным и модульным, но не слишком обширным. По сути пакет — это отчуждаемый переиспользуемый модуль с какой то функциональностью. Работа с пакетами ROS похожа на работу с пакетами linux. ROS пакет можно установить из репозитория пакета через команду git clone из исходного кода или в бинарном виде из репозитория с пакетами linux(можно сделать Российский репозиторий).

Для начала обсуждения нужно ответить на вопрос: «Что из себя представляет современный робот?»

Современный робот — это большая система состоящая из огромного количества высокотехнологичных компонентов: механика, сенсоры, моторы, микроэлектроника, компьютеры с мощной графической видеокартой для ИИ вычислений, роутером, программными компонентами и многим другим. С каждым годом развития робототехники, количество и сложность этих компонентов растет. Можно сделать вывод и прогноз, что количество этих компонентов и их сложность продолжит расти, так как только таким способом можно достичь дальнейшего совершенствования и конкурентного преимущества роботов. Сам по себе современный робот представляет из себя систему, сопоставимую по сложности с космическим кораблем, подводной лодкой, атомной станцией. Для дальнейшего совершенствования роботов эта система продолжит усложняться. На данный момент роботы по сложности внутреннего устройства не превосходят человека и соответственно сложность системы и компонентов роботов продолжит расти. Это значит что для разработки будущих роботов потребуются большие инженерные команды, большее разделение компетенций и профессионализма.

Теперь разобравшись с тем что из себя представляет современный робот, предлагаю посмотреть как обстоят дела на западе с робототехникой. Если произвести анализ технологий и внутренностей западных роботов, таких например как Atlas Boston Dynamics, Digit Agility Robotics, Tesla Bot и других современных роботов на текущий момент. То можно сделать вывод что они являются квинтэссенцией лучших технологий собранных со всего мира и произведенных на безумные инвестиции которые доступны только в США и отчасти в Китае. Здесь нужно сделать остановку и сказать что по сути это фундаментальные исследования, которые непонятно когда окупятся, горизонт планирования тут более 10 лет. Но благодаря таким передовым исследованиям робототехника на западе обгоняет российскую более чем на 15 лет. Соответственно технологии полученные в результате таких исследований на западе, раньше пойдут в промышленность и невозможно сейчас точно сказать как это повлияет на конкурентное преимущество США и Китая, по сравнению с другими странами. Будет ли тут аналог Манхэттенского проекта который перевернет мир? Когда это произойдет? Точно можно только сказать что рано или поздно роботы приблизятся по универсальности к способностям человека и окажут существенное влияние на экономику и военную сферу. США и Китай это понимают и поэтому включились в гонку в этом вопросе.

Так как робот состоит из большого количества специализированных высокотехнологичных компонентов, особенно механики и электроники, то добиться приемлемой стоимости компонентов и конечного продукта можно только на массовом производстве. Из этого вытекает простой вывод у кого больше рынок на который можно продать такие компоненты и роботов, тот и может окупить разработку и производство. Рынок объединенного запада около 1 миллиарда населения и возможность продавать товары во всем мире без ограничений. Внутренний рынок Китая 1.5 миллиарда человек и некоторые ограничения запада на продажу в остальном мире. Рынок Российской Федерации 145 миллионов человек. При этом спрос на роботов в пересчете на одного человека в России в разы меньше чем в странах Запада или Китае. Теперь становится понятно в чем главная проблема развития робототехники в России: отсутствие достаточного спроса на роботов для того чтобы окупить разработку и массовое производство современных роботов.

В чем еще формула успеха Pапада в робототехнике?

Разделение труда в исследованиях и производстве роботов. Например лучшую гидравлику делает Италия, моторы Швейцария, электронные компоненты Германия, Япония, Корея итд. Университеты также по компетенциям размещены в разных странах. В результате США имеет возможность собирать у себя роботов из лучших компонентов и технологий. Доступ же России к этим компонентам осложнен или невозможен.

В чем секрет успеха Pапада в исследованиях по робототехнике?

Там существуют университеты и специализированные группы которые десятилетиями занимаются на высоком уровне специализированными технологиями, у них есть преемственность поколений, достаточное финансирование не только от государства, но и от корпораций(в России нет на данный момент корпораций зарабатывающих на робототехнике таких денег). Также нужно отметить что эти специальные знания, не выходят за рамки этих рабочих групп, также набранный темп производства новых технологий на данный момент не достижим для Российских университетов.

Теперь можно подвести промежуточные выводы. Главным препятствием для развития робототехники в Российской Федерации является отсутствие рынка и спроса на роботов в Российской Федерации. Невозможно развернуть экономически эффективное производство современных роботов если производитель не может продать их столько же сколько западный конкурент и организовать разделения труда по производству компонентов роботов на весь мир. Текущий уровень робототехники достигнут в первую очередь тем что разнообразные компоненты производятся по всему миру и каждый производитель может продавать сразу на весь мир. В Российской Федерации нет автоматизированных производств с роботами в необходимом количестве как на западе и в Китае, поэтому спроса нет. А если субсидировать производство роботов без большого рынка и спроса, они будут в итоге для государства в разы дороже импортных и сильно отставать в качестве и возможностях. Отсюда главный вывод, к решению проблемы нужно подходить комплексно, а именно создавать и субсидировать производства производящие продукцию с помощью Российских промышленных роботов, субсидировать организации использующие Российских сервисных роботов. Необходимо составить список приоритетных производств и уровень их роботизации, составить дорожную карту, назначить ответственных исполнителей и выделить финансирование на создание производств использующих роботов и компаний занимающихся производством Российских роботов им необходимых.

Комплексное планирование производства

Усовершенствованное планирование через 5 лет

Как развивать технологии и стартапы по робототехнике в России?

Для этого погрузимся с начала в одну историю из США про то как небольшая группа инженеров из Кремниевой долины начала глобальную революцию в робототехнике.

1. Постановка проблемы и рождение идеи.

Keenan Wyrobek: «Мотивация создания ROS пришла случайно, когда мы искали интересный робототехнический проект для наших докторов наук. Мы поговорили с бесчисленным количеством людей и обнаружили, что одни и те же шаги повторяются снова и снова теми, кто намеревается создать что то новое в робототехническом программном обеспечении: они потратили 90 процентов своего времени на написание велосипедов(повторное написание того что было уже написано ранее кем то другим), переписывание кода, написанного другими ранее, и создание тестового стенда для прототипа. Тогда как последние 10 процентов их усилий были потрачены на инновации.»

Eric Berger: «Мы видели, что аспиранты по робототехнике тратят впустую много времени. Люди, которые хорошо разбираются в одной части робототехнического стека, обычно плохо понимают другие части: у вас хорошие алгоритмы принятия решений роботом, но вы ничего не знаете о зрении; ваше аппаратное обеспечение хорошее, но вы ничего не знаете о программном обеспечении.»

ROS начался как личный проект Кинана Вайробека и Эрика Бергера во время учебы в Стэнфорде, как попытка устранить ситуацию с изобретением колеса, от которой страдала робототехника. Эти два парня были обеспокоены самой распространенной проблемой робототехники в то время:

• слишком много времени уходит на повторную реализацию программной инфраструктуры, необходимой для создания сложных алгоритмов робототехники (в основном, драйверов для датчиков и исполнительных механизмов, а также связи между различными программами внутри одного и того же робота)
• слишком мало времени уделялось созданию программ интеллектуальной робототехники, основанных на этой инфраструктуре.

Даже внутри одной и той же организации заново изобретались драйверы и системы связи для каждого нового проекта. Эту ситуацию прекрасно описали Кинан и Эрик на одном из слайдов, которые они использовали для презентации инвесторам.

Большую часть времени, посвященного робототехнике, приходилось заново изобретать колесо (слайд из презентации Эрика и Кинана).

2. Идея открытого исходного кода для робототехники.

Scott Hassan: «В области робототехники, Linux идеология должна появиться раньше, чем Windows, чтобы версия с открытым исходным кодом была первой и лучшей версией, а не конкурирующей игрой в догонялки.»

3. Привлечение лидеров сообщества робототехников с открытым исходным кодом.

Прежде всего, это были лидеры мирового класса, инженеры и исследователи, которые присоединились к команде на раннем этапе, такие как Кен Конли, Брайан Герки, Морган Куигли, Мелони Уайз, Лейла Такаяма и многие, многие другие.

4. Переиспользуемые компоненты.

Идея Switchyard и в конечном итоге ROS в целом заключалась в том, что у вас могут быть подкомпоненты, которые постоянно меняются, но вы можете настроить их версию так, чтобы остальная часть системы оставалась работоспособной.

5. Создание лаборатории Willow Garage.

Была создана лаборатория в которой лучшие инженеры могли разрабатывать роботов и программное обеспечение для них на основе идей выше.

6. Идея персонального робота PR2 (Personal Robot).

Создание эталонного робота и компонентов, для того чтобы робототехники могли брать эти компоненты за основу в своих будущих стартапах.

7. Программа PR2.

За время работы лаборатории Willow Garage было произведено 11 роботов PR2 на которых учились и разрабатывали ROS в том числе сотни стажеров из разных университетов. В последующем эти роботы были переданы университетам из которых были эти студенты. Таким образом ROS распространился по миру, студенты стали аспирантами и начали писать на основе PR2 и ROS научные статьи, что дало колоссальный рывок в робототехнике.

8. Программа ROS в Willow Garage и стартапы.

В результате разработки первой версии ROS в Willow Garage c 2007 по 2010 год было подготовлено несколько сотен инженеров робототехников которые распространили ROS по всему миру.

Многие участники Willow Garage которые создавали ROS, в последующем создали свои стартапы по робототехнике, например:

Keenan Wyrobek — Zipline доставляет кровь и медикаменты с помощью дронов;

Steve Cousins — Savioke производит сервисного робота для гостиничного бизнеса;

Mirza Shah — Simbe robotics производит роботов для инвентаризации в магазинах;

Melonee Wise — Fetch Robotics производит автономных мобильных роботов для логистики и производства.

Forbes: Производитель складских роботов Fetch Robotics получил 25 миллионов долларов инвестиций в 2017 году

9. ROS Industrial Consortium.

ROS пакеты для промышленных роботов.

ROS2 стандарты для Real Time роботов.

ROS Industrial консорциум для объединения компаний с целью совместной разработки программного обеспечения для роботов.

Итого мы имеем успешный кейс ROS который произвел революцию в мировой робототехнике.

Давайте теперь подумаем как эти идеи применить в России.

Нам нужен масштабный проект наработками которого смогут пользоваться все в стране, например: антропоморфный робот, embodied ai, российский многофункциональный манипулятор, умный квадрокоптер. С открытым исходным кодом и компонентной базой российского производства.

Как запустить российское высшее образование по робототехнике на благо стране и бизнесу?

Студентов бакалавров, магистрантов и аспирантов обязать в дипломных работах включить обязательный пункт «ROS пакет» по разработанному ими алгоритму или роботу. Этот «ROS пакет» должен быть опубликован в Российском репозитории, содержать подробную документацию. Обязать студента для получения диплома выступить с докладом на ROS meetup. На ROS meetup провести голосование за лучший доклад и сделать призы первым трем местам. Это стимулирует учебную и научную деятельность в правильном направлении, а также приведет к конструктивному диалогу между Российскими учеными. Глобальный проект ROS с 2007 года показал правильность заложенных в него идей, многие из его участников создали успешные робото стартапы, поэтому России необходимо взять весь этот опыт и лучшие практики на вооружение.

Как повысить отдачу научных исследований?

Обязать аспирантов в своих докторских диссертациях и научных статьях публиковать ссылку на адрес репозитория исходного кода в Российском репозитории содержащего алгоритм их научной работы в виде ROS пакета с документацией. Обязать выступить на ROS meetup, чтобы рассказать другим разработчикам роботов как пользоваться предложенным в статье решением и ROS пакетом.

Как помочь производству робототехнических компонентов в России?

Объединение усилий разработчиков и производителей компонентов робототехники за счет унификации и стандартизации межмодульных интерфейсов, утвердить национальные стандарты создания и эксплуатации роботизированных систем на базе ROS2 и MicroROS.

Обязать всех производителей роботов выпускать ROS2 драйвера, рекомендовать MicroROS для использования на микроконтроллерах, рекомендовать ROS2 DDS для передачи данных от микроконтролеера к компьютеру. Обязать производителей выкладывать ROS2 драйвера от своих роботов в открытый доступ в Российский репозиторий. Рекомендовать производителям выступить с докладом на ROS meetup, чтобы рассказать другим робототехникам о наличии ROS2 драйвера и его функционале.

Что делать с подготовкой кадров по робототехнике?

Ввести в специальность робототехники обязательный предмет ROS. За основу можно взять разработанный Алексеем Бурковым инженером Лаборатории робототехники Сбер курс по ROS и успешно проведенный в университетах МИСИС, ИТМО, Школе 21, НГУ. В рамках курса организовать ежегодные всероссийские соревнования по робототехнике и ROS, которые будут обязательными для студентов проходящих курс, а также разрешить зачесть участие студентов в этом соревновании за экзамен по курсу. Соревнование сейчас уже проводиться в симуляторе Gazebo и не требует от вузов дополнительных затрат. Обязать тройку победителей студентов выступить с докладом на ROS meetup, по возможности поощрить победителей призами материально. Курс Алексеем Бурковым сейчас проводиться онлайн и может проводиться одновременно для всех вузов, для этого нужно скоординировать все вузы для проведения курса у них в одинаковое время.

Какую сформировать «дорожную карту» развития отдельных секторов робототехники на базе выявленных прорывных технологий?

Примеры:

Производство фото и агро дронов аналогичных модельному ряду DJI. На текущий момент именно такие квадрокоптеры производятся массово, коммерчески успешны и являются современными роботами в полном смысле этого слова. Такое производство можно и нужно роботизировать.

Промышленная робототехника для производства процессоров. Создать институт в котором организовать изготовление экспериментального максимально автоматизированного производства процессоров, при этом норма выпускаемых процессоров может быть более 300 нанометров, но все должно быть максимально автоматизировано, сделано в России из подручных компонентов. Цель такого завода получение практического опыта по всему циклу производства процессоров и отладка экспериментального оборудования и технологий на практике без риска для коммерческого производства процессоров по дорогим нормам. На данный момент эта отрасль одна из самых роботизированных в мире.

Производство сварочных роботов для различных металлоконструкций. В Российской Федерации добываются различные металлы, поэтому применение роботов в изготовлении конечной продукции из них будет иметь синергетический эффект.

Какие нужно создать механизмы нормативно-правового регулирования, стимулирующих разработку и внедрение отечественных роботов и робототехнических комплексов в различных областях экономики страны?

На законодательном уровне реализовать правовой механизм работы аналога Российских лицензий по защите прав исходного кода, как это сделано за рубежом. Имеется ввиду что если в Российский репозиторий гражданин Российской Федерации публикует исходный код, то ему достаточно приложить текстовый файл описывающий лицензию на его исходный код, для защиты прав его интеллектуальной собственности и например вариант лицензии когда в некоммерческих целях можно использовать код бесплатно, а в коммерческих за дополнительную плату.

Как повысить эффект от государственного финансирования робототехнических технологий?

При финансировании государством разработки технологий робототехники, они должны быть выложены в open source в Российский репозиторий и оформлены в виде ROS пакета, для последующего переиспользования другими робототехниками. Желательно проведение авторами по ним доклада на ROS meetup, для информирования о существовании такого ROS пакета.

Спросим у ChatGPT: Каких роботов делать?

ChatGPT: Человек не знает многих технических деталей и процессов, которые может освоить робот. Например, робот может иметь более высокую точность и скорость выполнения задач по сравнению с человеком. Также робот может иметь больше информации о движении предметов и их взаимодействии с окружающей средой.Чтобы добиться этих преимуществ, нужно проектировать роботов с более высокой точностью и скоростью обработки данных, а также со встроенными датчиками и алгоритмами для анализа и принятия решений. При этом роботы должны быть проектированы таким образом, чтобы они могли интегрироваться с различными системами и окружающей средой.

Данные предложения будут обсуждены на ROS Meetup 17 февраля