О МЕХАТРОНИКЕ И РОБОТОТЕХНИКЕ. В ряду новых наук, появившихся в конце ХХ века, одно из важнейших мест принадлежит мехатронике -- науке, находящейся на стыке таких наук, как механика, электроника, информатика и теория управления. Специалисты-футурологи прогнозируют, что в начале ХХI века именно мехатронные технологии, наряду с информационными и биотехнологиями, окажут революционизирующее влияние на жизнь человечества. Новая научная сфера быстро расширяется, захватывая промышленность и образование как за рубежом, так и в России. Важной вехой явилось введение в 2000 г. Министерством образования России нового направления в подготовке специалистов под названием "Мехатроника и робототехника". Мехатроника недаром объединяется в названии нового направления с робототехникой: они тесно связаны общей методологией и техническими средствами. Хотя робототехника как наука оформилась раньше, сейчас она часто рассматривается как часть мехатроники, связанная с построением и изучением манипуляционных и мобильных роботов.

Революционизирующее влияние мехатронных технологий сказывается не только в том, что компьютерно-управляемые установки (роботы, станки с ЧПУ (числовым программным управлением, подъемно-транспортные средства и т.д.) проникают во многие сферы исследований, производства и даже обыденной жизни. Истинное значение мехатроники - в создании методов проектирования управляемых машин и механизмов, когда система управления не пристраивается к уже существующей установке, а разрабатывается одновременно с конструкцией машины или оборудования. Средства управления, прежде всего - введение обратных связей, придает изделию принципиально новые свойства, недостижимые при традиционных подходах. В свою очередь, развитие мехатроники ставит новые задачи перед теорией управления, прикладной математикой и механикой: возникают задачи частичной стабилизации сложных, например, колебательных движений; становится актуальной разработка новых методов исследования нелинейных систем например, явлений синхронизации и хаоса; появляются новые разделы в механике, тесно связанные с кибернетикой.

Особенностью мехатроники как комплексной науки является то, что она требует владения понятиями и методами нескольких научных дисциплин, а также навыками их практической реализации. Проведение исследований на мировом уровне под силу лишь коллективам высококвалифицированных специалистов различного профиля и требует решения сложных и тонких вопросов организации их взаимодействия и создания необходимой лабораторной базы. Подобный коллектив сложился в конце 1990-х годов на базе Института проблем машиноведения РАН и кафедр систем автоматизации и управления нескольких ведущих вузов Санкт-Петербурга в рамках Санкт-Петербургского учебно-научного центра "Проблемы машиностроения, механики и процессов управления". Совместные исследования были поддержаны Федеральной целевой программой "Интеграция" (проекты 2.1-589, А0151). На основе полученных результатов и накопленного опыта совместных работ и был создан Центр коллективного пользования "Мехатронные и мобильные комплексы" (проект 3.2-336 ФЦП "Интеграция").

В соответствии с интересами научных школ, составивших основное ядро ЦКП, основное внимание уделяется вопросам построения и исследования мехатронных систем на примере систем управления вибрационными установками и мобильными роботами.

УПРАВЛЕНИЕ ВИБРАЦИОННЫМИ УСТАНОВКАМИ. Вибрационные установки и вибрационные технологии в настоящее время находят применение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Вибрация используется для воздействия на материалы или изделия при их перемещении и обработке -- измельчении, сортировке, перемешивании, уплотнении и т.д. Вибрационные эффекты применяются в приборах для измерений и испытаний, медицинских установках для вибростимуляции и вибротерапии и т.д. Появление мехатронных установок, основанных на принципах управления колебаниями и введении обратных связей, позволяет снизить массу, габариты и энергопотребление, а также реализовать новые возможности, связанные со сменой режима процессов в реальном времени, что позволяет говорить о переходе к новому поколению вибрационного оборудования.

Однако реализация принципов управления вибрацией требует решения комплекса научно-технических проблем, связанных с постановкой и решением новых задач управления возбуждением и синхронизацией колебаний, математическим и компьютерным моделированием и экспериментальными исследованиями. Необходима разработка исследовательских вибростендов, снабженных средствами измерения и управления. Важнейшую роль играет также подготовка соответствующих научных и инженерных кадров.

Деятельность Центра относится ко всем вышеперечисленным проблемам. Получен ряд оригинальных результатов, относящихся к основным этапам создания мехатронных систем, таким как формализация задач управления; построение математических моделей механической и электрической подсистем; синтез алгоритмов управления; компьютерное моделирование и анализ динамики замкнутой системы; экспериментальная проверка работоспособности системы. Особое внимание уделяется методам управления вибрациями, в том числе решению существенно нелинейных задач программного управления, разгона, прохождения зоны резонанса и управляемой синхронизации вибровозбудителей.

УПРАВЛЕНИЕ МОБИЛЬНЫМИ РОБОТАМИ. Важным направлением деятельности Центра является разработка и исследование мобильных (колесных) роботов. Новое поколение робототехнических систем отличается повышенной мобильностью, активным взаимодействием с внешней средой. Высокие качественные характеристики и подвижность так называемых "активных" роботов используется для выполнения таких сложных операций как обход препятствий, проникновение в труднодоступные зоны, выбор удобного подхода к внешним объектам и прецезионное движение по сложным криволинейным трассам с сохранением ориентации в пространстве. Мобильность активных роботов, приспосабливаемость к внешней среде и сравнительная автономность делает их использование весьма привлекательным для самых разнообразных сфер человеческой деятельности, включая автоматизированное производство космические и подводные исследования, оборону и противодействие терроризму, медицину, домашнее хозяйство и т.д.

Участниками Центра строятся и изучаются динамические модели роботов, рассматриваются теоретические проблемы планирования траекторий и синтеза систем управления движением в априорно заданной, подвижной и неопределенной внешней среде. Рассматриваются прикладные вопросы, связанные с задачами автоматизации исследований подвижных роботов, речевого управления, использования средств технического зрения, анализируются результаты экспериментальных исследований двухприводных роботов. Используются новейшие методы анализа и синтеза сложных механических систем: геометрические методы теории нелинейных систем, приемы адаптации и самообучения движению в условиях неопределенности, теория нечетко-логических, нейросетевых и экспертных систем в сочетании с инженерными методиками и прикладными задачами проектирования систем очувствления и управления движением типовых моделей подвижных роботов. Разрабатывается аппаратура и прикладное программное обеспечение учебно-исследовательского отладочного комплекса для исследования систем управления колесными роботами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В настоящее время в Центре проводятся ознакомительные занятия со школьниками старших классов, учебные занятия со студентами вузов и научные исследования. Возможность для работы в Центре с непосредственным использованием научного оборудования и созданного математического и методического обеспечения предоставляется, в первую очередь, для 7 организаций-участниц проекта 226. За истекший год выполнили курсовые и дипломные проекты 18 студентов из трех вузов-участников проекта, а научные результаты опубликованы в двух монографиях и свыше 20 статьях и докладах на научно-технических конференциях. Для расширения круга пользователей, проявивших заинтересованность в использовании потенциала Центра в обучении, организован удаленный доступ через Internet к математическому, алгоритмическому и программному обеспечению, разработанному участниками проекта. Создан веб-сайт Центра: http://ccslab.nm.ru/center/.

Учебные занятия в Центре ориентированы на 4 направления высшего профессионального образования:

• 652000 - Мехатроника и робототехника,
• 552800 - Информатика и вычислительная техника,
• 553300 - Прикладная механика,
• 550200 - Автоматизация и управление.

Накопленный опыт по созданию и использованию Центра коллективного пользования "Мехатронные и мобильные комплексы" доказывает как большую востребованность подобного центра со стороны учебных заведений Минобразования и научно-исследовательских организаций Российской Академии наук, так и целесообразность сосредоточения уникального и дорогого оборудования в одном центре с организацией широкого доступа, в том числе удаленного. Заинтересованность в доступе к оборудованию Центра уже проявили 17 вузов России, не являющихся участниками проекта.

За время работы Центра выработана сбалансированная программа его дальнейшего развития, которая отражает имеющиеся на сегодня потребности в научных исследованиях и подготовки кадров в такой широкой области знаний, как мехатроника, и в то же время реальна по требующимся затратам.

Программа содержит три направления развития:

• расширение и дополнение парка мехатронного оборудования, в том числе, создание дополнительной технологической оснастки и контрольно-измерительных устройств для мехатронных комплексов Центра;
• развитие научных, технологических и методологических основ построения мехатронных систем различного назначения и управления ими;
• расширение круга пользователей Центра за счет развития удаленного доступа к научно-методическому обеспечению, а постепенно и к физическому оборудованию Центра.