Новости

Как сделать робота из поля MakeX и выиграть приз на Всероссийском конкурсе?

2025-03-14 16:23 Сообщество
Команда: Михаил Маракулин (капитан), Иван Маракулин, Мария Амелюгина
Наставник и сопровождающий: Екатерина Ивановна Алдущенкова.
Всероссийский конкурс «Инженеры транспорта» создан при поддержке РЖД и «Движения первых».
Компетенция «Чистые пути» — один из шести треков инженерного направления конкурса.
С чего все началось?
Осенью будущий капитан команды подошёл с идеей участвовать в треке «Чистые пути» инженерного направления конкурса «Инженеры транспорта».

Конкурс был создан при поддержке РЖД и Движения первых. Положение предлагало выбор креативного или инженерного направления, а в рамках направления — выбор одного из шести треков для решения проблем железнодорожной отрасли.
Задание
От команды требовалось создать рабочее устройство, способное автономно передвигаться по железной дороге, осуществляя поверхностную уборку различного мусора без повреждения дорожной инфраструктуры.ааа
У нашей муниципальной школы не было ресурсной базы для полноценной реализации такого проекта. Даже если ориентироваться на весьма упрощенный, но полноразмерный прототип, задача всё равно казалась неподъемной и ориентированной в большей степени на технопарки с другим уровнем оснащения.

И прямых аналогов мы не выявили — сегодня железные дороги не прибирают роботами. Такое всегда настораживает. Вероятно, задача слишком сложная, альтернативные решения экономически более оправданы, их эффективность выше и тому подобное.

Тем не менее, задание было хорошо сформулировано, задача была поставлена реальным заказчиком, а желаемый результат довольно точно описан. Проект, подкрепленный таким обоснованием (а мы участвуем в самых разных конкурсах проектов), потенциально конкурентоспособен в сравнении с проектами, решающими самостоятельно выявленную проблему или закрывающими личные потребности.

Это обстоятельство сыграло ключевую роль в принятии решения, и я предложила для начала попробовать разобраться с детекцией мусора и сборкой его с плоской поверхности уменьшенным отдаленным прототипом, а потом уже пытаться масштабировать конструкцию, насколько это будет возможно.
Команда
Осенью появились первые результаты, и мы зарегистрировали команду. В состав команды попали программист (10 класс), техник (6 класс) и продакт-менеджер (11 класс).
Ошибкой было зарегистрировать всего троих при ограничении в пять человек. При масштабировании мы не смогли добавить в команду инженера и промдизайнера, пожелавших присоединиться к работе, и дефицит людей ослаблял наш проект.

Но зато на этом этапе у нас появилось собственное понимание кейса, так как летом мы поговорили с родственниками, работающими в железнодорожной отрасли, и узнали, чьими силами и каким образом осуществляется уборка перегонов в разных регионах страны. Словом, мы поняли, чей труд хотим автоматизировать и для кого развиваем своё сознание в таком необычном направлении.
Концепт
Сам кейс был далеко за пределами школьной программы. Мы пробовали идею за идеей, переделывали прототип раз за разом, прежде чем нащупали жизнеспособный вариант.
В общих чертах концепция этого варианта заключалась в системе, сходной с конструкцией 3D-принтера, обеспечивающей линейное движение захвата по трем осям за счет перемещения робота по рельсам и перемещений манипулятора по горизонтальной и вертикальной планкам.
Такая система проще в обслуживании и легче в программировании, она надежна и проста. Робот должен был с помощью технологии компьютерного зрения детектировать координаты и ориентацию предметов, засоряющих полотно, захватывать их и перемещать к себе на платформу, где при необходимости могла осуществляться сортировка мусора по видам.
Масштабирование
Поначалу мы наращивали каркас робота вырезанными из фанеры элементами, но чем сильнее увеличивалась конструкция, тем острее ощущалась необходимость в металлическом каркасе.
Учитывая, что робота необходимо было перевозить на места проведения соревнований и часто переносить силами троих детей и наставника, это должна была быть очень лёгкая, прочная и быстро монтирующаяся конструкция. Словом, нам нужен был качественный алюминиевый конструкционный профиль.
Тут мы подошли к проблеме нестандартно, использовав элементы робототехнического поля MakeX. Это нас здорово выручило, так как даже профиль без покрытия требовал существенных трат, а алюминиевые балки поля были анодированы и обеспечивали качество выше необходимого.
Ребята смоделировали и распечатали большое количество совместимого с профилем крепежа: упорные косынки, переходники и прочее. Конструктив обрел жесткость и стабильность, не потеряв в скорости монтажа.
Сложно далась разработка эффективного захвата. Привычная детская робототехника работает с реквизитом заведомо известных характеристик: формы/цвета/размера/текстуры, — опираясь на которые можно разработать захват. А мусор непредсказуем. Это может быть маленькая крышка, фантик или пакет, застрявшие между щебнем и шпалами на разной высоте, большая коробка, скользкая банка или прозрачная бутылка, кривая ветка со смещенным центром тяжести — всё что угодно.
Если даже вам удалось предусмотреть все эти варианты в обучении нейросети, то далее необходимо научиться их надежно захватывать с неоднородной поверхности железнодорожного полотна.
Тут нас ждали бесконечные провалы и открытия. Разрабатываемые нами решения не были универсальны. Так по пути провалов и ошибок мы постепенно пришли к версии с пневматическим трехлепестковым захватом по типу грейферного крана. Похожие захваты можно увидеть на технике, работающей на свалках мусора и металлолома.
Программа
Программная часть основного алгоритма предполагала получение в режиме реального времени изображения с установленной на захвате камеры технического зрения (у нас это камера телефона). Полученные данные обрабатывались в терминале (у нас это ноутбук).

Эта часть была написана на Python’е, а результаты её работы направлялись во вторую часть программы, написанную на языке Arduino и управляющую исполнительными механизмами робота с помощью платы Arduino Mega.
Датасет на мусор был составлен ребятами самостоятельно, пришлось учиться этому с нуля, тоже долго, тоже на ошибках. В итоге программа позволяла определить координаты мусора, положение его контура и вид (органика/неорганика) для демонстрации возможности сортировки.
Из примечательного можно вспомнить, как в день регионального отбора выпал первый снег, а на снег модель была не обучена, и программе он казался салфетками. Или как капитан в один из дней радостно сообщил, что робот, наконец, больше не принимает за мусор сам себя, и мы смеялись, что он запрограммировал роботу повышение самооценки.
Конкурс
Каждый раз мы с удивлением узнавали, что прошли на следующий этап. Так и дошли до «России». Всероссийский финал проходил в Екатеринбурге в формате хакатона. Это было масштабное и фееричное мероприятие, окружившее детей атмосферой признания и уважения.
Мы не успели реализовать внешний корпус и некоторые функции, а часть времени хакатона команда вновь потратила на сборку и оживление систем после транспортировки в разобранном виде. Поэтому мы не особо надеялись попасть в призы.
Но робот нашей команды принципиально отличался от других тем, что был рассчитан на приборку всей ширины полотна, а не только пространства между рельсами, в нем практически не было готовых решений и у команды было сильное выступление.
Будучи представителями муниципальной школы с минимально возможным составом команды, мы продемонстрировали достойный результат, хотя теперь уже понимали, как надо было действовать с самого начала, чтобы добиться большего.
Итог
Наша команда заняла третье место. Это денежный приз в размере 300 тысяч рублей и умная колонка Алиса миди каждому участнику. Конечно, дети были очень рады стать призёрами всероссийского финала и, помимо нереального количества опыта и прокачанных навыков, увезти с конкурса еще и призы.
В целом, трек изначально ставил перед детьми довольно сложную задачу, поэтому с трудностями столкнулись и другие команды, никто не был застрахован от провала. А когда такой долгий и тяжкий труд приносит видимые плоды, потребность в саморазвитии укрепляется и желание учиться новому подавляет накопившуюся усталость.