К 90-летию кафедры робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин

ИГОРЬ МЕРКУРЬЕВ,
д. т. н., профессор,
заведующий кафедрой
Робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин
ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»
MerkuryevIV@mpei.ru

3 сентября 1930 г. приказом Высшего совета народного хозяйства СССР (№ 1897) был образован МЭИ, ставший важнейшим центром подготовки инженеров-электриков для народного хозяйства страны. Первый курс МЭИ был укомплектован студентами нового набора, а четыре старших курса — студентами, переведенными из Московского высшего технического училища и Московского института народного хозяйства [1, 2].

Кафедра теоретической механики была создана одновременно с МЭИ в 1930 г., ее первым заведующим в 1930–1933 гг. был лауреат Государственной премии профессор Николай Николаевич Бухгольц (рис. 1).

Рис. 1. Николай Николаевич Бухгольц

Учебник «Основной курс теоретической механики» Бухгольца, характеризовавшийся широтой охвата материала, продуманностью положенных в его основу методологических принципов и совершенством методики изложения, выдержал множество изданий и на долгие годы стал одним из наиболее популярных учебников по теоретической механике, использовавшимся во многих вузах страны.

В 1940 г. заведующим кафедрой стал доктор физико-математических наук, известный ученый в области теории упругости 28-летний Михаил Григорьевич Слободянский (рис. 2).

Под его руководством на кафедре велась научно-исследовательская работа по трем основным направлениям: теория упругости, механика абсолютно твердого тела и гидро­механика. В области теории упругости сотрудники кафедры разработали различные приближенные методы решения задач теории упругости, теории пластин и оболочек, а в некоторых из этих работ получили оценки погрешности приближенных решений. Так, были построены приближенные решения для прогибов, изгибающих моментов и перерезывающих сил, найдены оценки погрешности в задачах об изгибе пластин (изотропных и анизотропных) и оболочек постоянной и переменной толщин.

Рис. 2. Михаил Григорьевич Слободянский

Исследования в области механики абсолютно твердого тела велись в направлении изучения кинематики и динамики привода с плавающей косой шайбой в гидравлических аксиально-поршневых машинах. На кафедре была создана специальная экспериментальная установка, с помощью которой была изучена первая отечественная конструкция бескривошипного аксиально-поршневого компрессора КБЛ-5. Полученные результаты были взяты за основу при создании промышленных образцов многоступенчатых компрессоров. В области исследований гидромеханики и газовой динамики были разработаны методы расчета рабочего процесса для двух основных классов пневматических насосов, даны рекомендации по конструированию и выбору оптимальных геометрических размеров этих гидромашин.

Рис. 3. Игорь Васильевич Новожилов

В 1975 г. заведующим кафедрой стал доктор физико-математических наук Игорь Васильевич Новожилов (рис. 3). Вместе с ним на кафедру пришли его ученики, воспитанники механико-математического факультета МГУ — Юрий Григорьевич Мартыненко и Александр Исаакович Кобрин. Развитие кафедры получило мощное ускорение — очевидны достижения кафедры в научной области и в использовании вычислительной техники.

В 1976 г. И. В. Новожилов за работы в области механики гироскопических и навигационных систем был удостоен Государственной премии СССР. На кафедре начало формироваться новое научное направление, посвященное разработке методов приближенного анализа систем с различными временными масштабами движения, описываемых сингулярно возмущенными дифференциальными уравнениями. Результаты этого направления составили существенную ветвь фракционного анализа и позволили решить целый ряд сложных научно-технических проблем в разных областях, включая робототехнику, медицину, движение железнодорожного транспорта.

И. В. Новожилов внес существенный вклад в математическую теорию гироскопов; разработал принципы разделения движений механических систем на основе методов теории сингулярно возмущенных уравнений; представил теорию регуляризации уравнений систем с законом трения Кулона; предложил новый подход к управлению движением шагающих роботов, основанный на принципах иерархического управления; создал и обосновал новую модель динамики колеса автомобиля [3].

В 1986 г. в издательстве «Высшая школа» вышло учебное пособие И. В. Новожилова и М. Ф. Зацепина для вузов [4]. Это пособие по расчетам по теоретической механике на базе ЭВМ фактически послужило отправной точкой для создания новых методов обучения теоретической механике больших потоков студентов с широким использованием достижений вычислительной техники, впервые разработанных и внедренных на кафедре теоретической механики МЭИ. Затем на кафедре был опубликован целый ряд пособий по теоретической механике и аналитической электромеханике, предполагающих выполнение курсовых и индивидуальных работ студентов на базе ЭВМ с использованием систем аналитических вычислений. Были разработаны автоматизированные обучающие курсы для персональных компьютеров, используемые ныне в учебном процессе МЭИ и в ряде других вузов России и за рубежом.

Рис. 4. Юрий Григорьевич Мартыненко

В 1986–2004 гг. кафедрой теоретической механики руководил заслуженный деятель науки РФ, д. ф.-м. н., профессор Юрий Григорьевич Мартыненко, ученый мирового уровня, внесший существенный вклад в создание теории электростатического, электромагнитного и криогенных гироскопов [5] (рис. 4).

Среди научных достижений Ю. Г. Мартыненко отметим построение теории движения проводящего твердого тела в электромагнитном поле, определение условий корректного использования прецессионных уравнений гироскопических систем, вклад в разработку метода регуляризации в теории сингулярно возмущенных систем, построение одного из наиболее полных решений задачи о влиянии вихревых токов на ориентацию проводящего спутника в магнитном поле Земли, исследование движения упругой сферической оболочки в неконтактном подвесе с учетом внутреннего трения в материале, разработку методов управления неустойчивыми механическими системами с учетом ограниченности ресурсов управления, создание математической модели одноколесного мобильного робота с гироскопической системой стабилизации, формирование алгоритмов управления движением мобильных колесных роботов и исследование проблемы создания искусственного тактильного механорецептора.

Под научным руководством Ю. Г. Мартыненко были выполнены десятки НИР и ОКР, в том числе по созданию новых типов гироскопов, систем ориентации и навигации, роботов и экзоскелетов [5–8]. Научная школа академика Д. Е. Охоцимского и профессора Ю. Г. Мартыненко — «Роботы с элементами искусственного интеллекта» — была поддержана грантом Президента Российской Федерации. Среди учеников профессора Ю. Г. Мартыненко девятнадцать кандидатов и четыре доктора наук.

С 1992 г. кафедра теоретической механики под руководством профессора Ю. Г. Мартыненко стала специализирующей, решением ученого совета МЭИ была открыта новая специальность «Роботы и робототехнические системы».

Благодаря усилиям кафедры, профессоров Ю. Г. Мартыненко, А. И. Кобрина, доцента И. В. Орлова на кафедре была внедрена новая образовательная методика подготовки специалистов по робототехнике, связанная с участием в международных робототехнических соревнованиях мобильных роботов.

Программа организации работ по проведению Всероссийского молодежного фестиваля мобильных роботов, подготовленная с участием МЭИ, МГУ и ИПМ им. М. В. Келдыша, получила поддержку в рамках гранта федеральной целевой программы «Интеграция». Оргкомитет фестиваля возглавили ректор МГУ академик В. А. Садовничий и академик Д. Е. Охоцимский. Профессор Ю. Г. Мартыненко стал заместителем председателя оргкомитета, профессор А. И. Кобрин — членом оргкомитета.

Рис. 5. Александр Исаакович Кобрин

В 2006–2011 гг. заведующим кафедрой был д. ф.-м. н., профессор А. И. Кобрин (рис. 5), видный ученый, внесший существенный вклад в развитие теории и математических моделей в динамике твердых тел при электро- и гидродинамических воздействиях. Он впервые получил принципиальные результаты в проблеме исследования сложных систем, описываемых совместными системами обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных [8, 9].

Работы А. И. Кобрина и его учеников в области робототехники дали новый импульс в развитии науки и учебно-методического обеспечения на кафедре и в МЭИ в целом. В 2010 г. кафедра теоретической механики получила новое название — «Теоретическая механика и мехатроника». Наряду с конструкторскими и технологическими навыками овладение студентами точными науками — теоретической механикой, математикой и автоматическим управлением — позволяет создать более совершенные робототехнические системы. Число наград и почетных грамот, полученных студентами, аспирантами и преподавателями кафедры в ходе международных соревнований, фестивалей и выставок по робототехнике, насчитывает несколько десятков.

Под научным руководством А. И. Кобрина был выполнен ряд НИР в области робототехники и мехатроники, среди результатов которых защита кандидатских диссертаций О. Ю. Синявским по теме «Обучение спайковых нейронных сетей на основе минимизации их энтропийных характеристик в задачах анализа, запоминания и адаптивной обработки пространственно-временной информации» и Б. И. Адамовым по теме «Применение аппарата неголономных связей в задачах идентификации параметров и управления движением».

Активная научная деятельность сотрудников кафедры совместно со студентами дает им возможность продолжать учебу в аспирантуре кафедры, выполняя научную работу по грантам Российского фонда фундаментальных исследований, Минобр­науки РФ и заказам приборостроительных компаний.

С 2009 г. по настоящее время заведующим кафедрой является автор статьи. В 2016 г. к кафедре теоретической механики и мехатроники была присоединена кафедра динамики и прочности машин им. В. В. Болотина. Объединенная кафедра получила название «Кафедра робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин». Сегодня кафедра продолжает проводить широкий круг исследований по актуальным проблемам разработки мехатронных, робототехнических систем, обеспечения надежной и безопасной работы энергетических объектов. Основными научными направлениями кафедры по-прежнему являются механика твердого и деформируемого тела, разработка асимптотических методов разделения движений, создание теории проектирования волновых твердотельных и микромеханических гироскопов, динамика и управление автономными мобильными роботами, разработка систем очувствления робототехнических и биомехатронных систем [6–11].

Развитие цифровой экономики способствует появлению новых форм и методов подготовки в образовательной сфере. На базе кафедры при поддержке департамента образования г. Москвы и ректората МЭИ создан Центр технологической поддержки образования (ЦТПО), являющийся инновационным инструментом ознакомления учащихся с современными технологиями и освоения ими высокотехнологичных методов цифрового производства.

Рис. 6. Отдел теоретической механики кафедры робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин в 2019 г. Слева направо: первый ряд — Драгунов С. С., Зацепин М. Ф., Панкратьева Г. В., Подалков В. В., Свириденко О. В., Устинов В. Ф., Кобрин А. И.; второй ряд — Гавриленко А. Б., Астахов С. В., Адамов Б. И., Меркурьев И. В., Кирсанов М. Н., Комерзан Е. В.

В составе учебно-лабораторного оборудования ЦТПО имеется все необходимое для разработки, прототипирования, исследования и отладки различных мехатронных, робототехнических и программных комплексов. Наличие производственной лаборатории в ЦТПО позволяет пройти все этапы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, внедрить и отладить разработки на базе современного испытательного полигона.

Таким образом, на кафедре продолжают реализовываться образовательные, профориентационные и научные программы по приоритетным направлениям развития науки, техники и технологий.

В год 90-летия образования МЭИ и кафедры есть все основания надеяться, что у МЭИ и кафедры есть будущее: их прошлое стало крепким фундаментом, а настоящее — в надежных руках (рис. 6, 7).

Рис. 7. Центр технологической поддержки образования