Роботы давно стали неотъемлемой частью современной логистики и производства. Они ускоряют процессы, снижают затраты и решают задачи, которые раньше выполняли люди. Но как создать такого робота с нуля? Меня зовут Вячеслав Гончарук, я руководитель группы инженеров-конструкторов в Яндекс Роботикс. В этом гайде я расскажу, как мы разрабатывали Spectro — мобильного складского робота для инвентаризации товаров. Этот путь можно адаптировать под любую робототехническую задачу.
Создание робота — это не просто процесс сборки устройства. Это комплексная разработка, включающая концепцию, проектирование, производство, тестирование и внедрение. Каждая из этих стадий требует глубокой проработки, правильного подбора решений и оптимизации всех процессов. Важно понимать, что ошибки на ранних этапах могут стоить дорого на стадии производства и эксплуатации.
1. Формируем идею и обосновываем проект
Перед тем как начинать разработку, важно понять, зачем нужен робот. В случае со Spectro задача была очевидной: e-commerce растёт, нагрузка на склады увеличивается, и чтобы успевать за этим ростом, совершенно необходимо внедрять автоматизацию. Такой подход не только повышает скорость работы склада, но и снижает зависимость от человеческого фактора, уменьшает количество ошибок и сокращает затраты на персонал.
Ключевые вопросы на этом этапе:
- Какую проблему решает робот?
- Насколько востребовано решение?
- Какие есть существующие аналоги и их слабые стороны?
- Какая будет экономическая эффективность внедрения?
Мы изучили рынок и выяснили, что ручная инвентаризация требует много времени и ресурсов. В качестве альтернативы мы рассматривали два других варианта автоматизации: дроны и рельсовые роботы. Однако дроны оказались непрактичными, поскольку они оснащены только одной камерой и не могли эффективно сканировать большие вертикальные пространства. Им нужно было постоянно перемещаться вверх и вниз, что значительно увеличивало время инвентаризации. Кроме того, работа дронов внутри помещения сопровождалась дополнительными сложностями, связанными с навигацией, безопасностью сотрудников и ограниченной автономностью.
Роботы на рельсах, в свою очередь, обеспечивали высокую точность позиционирования, но ограничивали гибкость системы. Их внедрение требовало капитального переоборудования склада, прокладки направляющих и значительных финансовых вложений. Кроме того, их работа зависела от заранее заданных маршрутов, что снижало адаптивность при изменении складских процессов.
Поэтому мы разработали концепцию мобильного робота, способного работать в автономном режиме, адаптироваться к любым изменениям в расстановке паллет и быстро сканировать инвентарные данные без дополнительных инфраструктурных затрат. В нашем роботе Spectro мы использовали десять камер, что позволило за один проход сканировать всю высоту 12-метрового склада.
2. Определяем концепцию
На этом этапе мы формируем экспертную группу, которая анализирует рынок, изучает существующие решения и обсуждает возможные концепции будущего робота.
Важно учитывать несколько факторов:
- Целевой рынок: кто будет использовать робота, какова его потенциальная стоимость, какое количество устройств может потребоваться.
- Анализ аналогичных решений: изучаем, какие технологии и подходы уже используются, какие у них плюсы и минусы.
- Функциональные требования: определяем ключевые задачи, которые должен выполнять робот.
- Возможные технические реализации: оцениваем разные подходы к решению задач, выбираем приоритетные варианты.
На этом же этапе определяются ключевые технические характеристики: конструкция, используемые сенсоры, алгоритмы навигации и управления. Итогом работы становится заявка на разработку, в которой фиксируются все основные параметры и обоснования выбора концепции.
3. Разрабатываем техническое задание
Разработка технического задания — ключевой этап проектирования робота. Здесь уточняются все требования и подробно описывается устройство. Задание на разработку, подготовленное на предыдущих этапах, ложится в основу ТЗ, но требует детальной проработки и дополнения.
В техническом задании фиксируются следующие параметры:
- Основное назначение изделия и его функциональные возможности.
- Назначение составных частей и их взаимодействие.
- Технико-экономические требования, включая энергоэффективность и стоимость производства.
- Требования к основным показателям качества, точности работы и надёжности.
- Требования по безопасности эксплуатации.
- Перечень и состав конструкторской документации.
Правильно составленное ТЗ позволяет избежать недопонимания между разработчиками, конструкторами и производителями. Например, на этом этапе мы сразу заложили требования к высоте подъёма мачты, точности сканирования и времени автономной работы. Это помогло избежать значительных переделок на более поздних стадиях разработки.
4. Проверяем жизнеспособность концепции
Вроде бы у нас уже есть общее понимание будущего робота и его требований, но остаётся главный вопрос: сможем ли мы реализовать этот проект? Для ответа на него нужен следующий этап — разработка технического предложения.
На этом этапе мы:
- Определяем и обосновываем возможность создания робота на основе требований ТЗ.
- Анализируем необходимые технические и организационные решения.
- Оцениваем ресурсы: достаточно ли одной лаборатории или нужен испытательный стенд и полигон.
- Определяем состав команды: хватит ли 15 человек или потребуется 150.
После того как все вопросы решены, переходим к следующему подэтапу — подготовке частных технических заданий для отдельных направлений разработки: механики, электроники, ПО и других. Это позволяет детализировать требования и избежать ошибок на следующих этапах.
5. Прототипирование и тестирование идей
Прототипирование и техническая проработка — важный этап подготовки к разработке. Хотя на этом этапе у нас уже есть сформированные требования и технические решения, необходимо убедиться, что они действительно осуществимы и соответствуют реальным условиям эксплуатации.
На этом этапе мы:
- Проверяем гипотезы, идеи и технические решения с помощью макетов устройств, конструкций, блоков и механизмов.
- Определяем окончательные технические требования и вносим корректировки.
- Выявляем потенциальные ошибки и сложности, которые могли быть упущены на предыдущих этапах.
- Определяем исходные данные для разработки рабочей документации.
Прототипирование начинается с создания структурной схемы электроники. Вот для примера наша схема Spectro, в ней:
- Синим обозначены сенсоры, жёлтым — актуаторы, фиолетовым — камеры, GPU, CPU.
- Зелёным отмечены блоки, которые предстоит разработать.
- Электронные компоненты объединяются в единую систему с линиями связи и исполнительными механизмами.
Эта схема позволяет лучше понять взаимодействие компонентов, уточнить требования к их работе и выявить потенциальные проблемы ещё до сборки макета.
Механическая часть проходит аналогичный процесс: проводятся расчёты, моделируется макет конструкции. Например, при проектировании Spectro нам нужно было убедиться, что мачта не сломается при подъёме. Расчётов оказалось недостаточно — мы собрали макет, заказали комплектующие, протестировали сборку и отработали технологию монтажа.
Макетирование также может выявить недостатки. В случае со Spectro обнаружилось, что предложенная схема привода мачты приводила к её заклиниванию из-за проблем синхронизации двух двигателей. Пришлось дорабатывать конструкцию. Также изначальное расположение камер не позволяло сканировать верхние ряды паллет, и мы скорректировали их углы, чтобы увеличить поле зрения.
Только после успешного тестирования макета и устранения выявленных недостатков можно переходить к следующему этапу — разработке рабочего изделия.
6. Разработка финального изделия
Теперь начинается этап разработки финального изделия. По сути, он во многом повторяет этап макетирования, но с более детальной проработкой конструктивных и электрических решений. Здесь создаются рабочие образцы всех деталей, механизмов и узлов.
Работа с электропроводкой — отдельный важный процесс. На этом этапе необходимо продумать, как будет проложена проводка, насколько удобно её монтировать и обслуживать. Казалось бы, зачем детально прорисовывать каждый провод? Но именно это позволяет на ранних этапах выявить потенциальные сложности при сборке и эксплуатации. Кроме того, параллельная проработка механической части и электрики помогает сократить общее время сборки.
В ходе этого этапа мы также вносим изменения в дизайн. Например, по сравнению с макетом, финальная версия Spectro получила обновлённую конструкцию, улучшенные крепления и оптимизированное расположение компонентов.
Однако даже после выполнения всех этих работ изделие ещё не готово к производству. Сперва необходимо собрать полный комплект документации, включающий:
- Цифровую модель робота.
- Итоговые расчёты и структурные схемы.
- Рабочие чертежи всех деталей и узлов.
- Описание технических характеристик.
- Инструкции по сборке и эксплуатации.
- Программу и методику испытаний для последующих тестов.
Этот комплект становится основой для производства и позволяет минимизировать риски перед выпуском первой партии роботов.
7. Производство
Производство — это этап, на котором робот наконец обретает физическую форму. Однако прежде чем начать сборку, необходимо подготовить всё необходимое.
Закупка комплектующих и работа с подрядчиками
Все детали для робота закупаются у поставщиков, так как у нас нет собственного производства механических компонентов. Чтобы быть уверенными в качестве деталей, мы проводим аудит подрядчиков: проверяем их производственные мощности, соблюдение сроков поставок и соответствие требованиям по качеству. Только после успешного прохождения аудита мы можем размещать заказ на изготовление.
Входной контроль качества
Даже после тщательного отбора подрядчиков каждый компонент, поступающий на производство, проходит входной контроль. Детали проверяются на соответствие конструкторской документации, чертежам и техническим требованиям. Это позволяет выявить возможные дефекты на раннем этапе и предотвратить ошибки при сборке.
Организация хранения комплектующих
После проверки все компоненты отправляются на склад. Важно правильно организовать хранение: каждая деталь имеет своё место и фиксируется в цифровом двойнике склада. Это позволяет избежать путаницы и ускоряет процесс сборки.
Сборка робота
Когда все комплектующие готовы, начинается процесс сборки. Для удобства используются специальные стапели, которые обеспечивают доступ к каждому элементу платформы и мачты. Так мы можем и сам процесс монтажа ускорить, и ошибки минимизировать.
Непосредственно процесс сборки состоит из нескольких ключевых этапов:
- Монтаж платформы с учётом всех конструктивных особенностей.
- Сборка мачты на отдельном стапеле, где предусмотрен кантователь, вращающийся на 360 градусов.
- Установка заранее спроектированных и заказанных электроники и жгутов.
- Установка мачты на платформу.
Финальный контроль качества
После завершения сборки проводится выходной контроль качества. На этом этапе проверяется соответствие всех параметров технической документации, проводится тестирование работы узлов и систем. Только после успешного прохождения всех проверок робот считается готовым к следующему этапу — тестированию и отладке.
8. Итог
Разработка робота — это сложный, но системный и очень интересный процесс. Если чётко следовать шагам — от идеи до внедрения — можно создать эффективное решение для любой задачи. Spectro прошёл именно такой путь, и его пример можно использовать для разработки других робототехнических систем. Важно понимать, что ни одна конструкция не является окончательной — всегда есть место для улучшений и оптимизаций.
