Вадим мацкевич занимательная анатомия роботов icon

Вадим мацкевич занимательная анатомия роботов


Смотрите также:
Дипломная работа студента...
Мацкевич В. В. Солдат империи. ...
Лекция Хирургическая анатомия груди. Ранения груди. Хирургическая анатомия сердца...
Темы конференции: Архитектура роботов...
Робототехнический и кибернетический бум в конце прошлого столетия полностью изменил мышление и...
«История роботов, написанная роботом.»...
Егоров И. В., Лавров А. В, Мусатов В. Ю., Пчелинцева С. В...
Лекции : Йога Влюблённости. Вопросы-ответы. Вадим Запорожцев. Часть 5-я...
Анализ и обобщение опыта и тенденций создания промышлен­ных роботов в отечественной и зарубежной...
Программа дистанционного курса по английскому языку «Занимательная грамматика»...
Работа была представлена на конференции “Экстремальная робототехника ”( 15-17 апреля, 2003 г....
Активная экзоскелетная система и начало разития человекоподобных роботов...



Загрузка...
страницы: 1   2   3   4   5
вернуться в начало
скачать

^ 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗРЕНИЯ


Специалисты в области бионики ведут работы по моделированию некоторых функций человеческого глаза. Создана электронная модель сет­чатки, воспроизводящая работу фоторецепторов в цен­тральной ямке и на периферии, предложено устрой­ство, аналогичное механизму управления движением глазного яблока. Уже есть попытки построить элек­тронную модель цветового восприятия. Первые «видя­щие» роботы — это различные опознающие устройства, применяемые в медицине и криминалистике.

Принципиально то, что робот может «видеть» го­раздо лучше человека. Ведь человеческому глазу до­ступна лишь оптическая часть спектра электромаг­нитных волн. А электронное устройство свободно от биологических ограничений. Его можно, например, сделать чувствительным к инфракрасным и ультра­фиолетовым лучам. К электронному глазу можно под­ключить радар. Он способен видеть в темноте и при сверхярком свете, работать в комплексе с телескопом или микроскопом, фиксировать сверхбыстрые и сверх­медленные процессы.

Современные фотореле реагируют на невидимые глазом участки спектра (инфракрасное и ультрафиоле­товое излучение), способны регистрировать изменения параметров света, происходящие с частотой до мил­лиона колебаний в секунду (предельная частота, во­спринимаемая человеческим глазом, 20 Гц).

Как уже говорилось, электронными элементами зрения в технике являются фотоэлементы — устройства, которые при освещении меняют свои электрические характеристики (одни из них под действием света на­чинают пропускать электрический ток, другие сами становятся источниками тока). Основное различие ме­жду человеческим глазом и фотоэлементом состоит в том, что глаз в сочетании с мозгом создает деталь­ное изображение увиденного, фотоэлемент же всего лишь различным образом реагирует на факт наличия света.

На рис. 46 показана увеличенная структура сетчат­ки глаза, состоящей из палочек и колбочек. Любая чувствительная к свету клетка сетчатки соединена не­посредственно со зрительным нервом, а также с други­ми клетками, которые, в свою очередь, соединены ме­жду собой. Таким образом, световой сигнал уже на этом этапе «продумывается». Сам глаз человека вы­полняет часть функций осмысливания, свойственных головному мозгу.

Подобно сетчатке глаза устроен экран электронно­лучевых передающих трубок, состоящий из множества микроскопических элементов диаметром около 1 мкм (рис. 47). Ток каждого микрофотоэлемента трубки коммутируется электронным лучом, построчно пробе­гающим по всем микрофотоэлементам экрана.

Чтобы научить робота видеть, нет нужды приделы­вать ему голову с глазами. Как ни странно, у роботов — манипуляторов глаза, как правило, находятся в руке... Вот вам пример. Представьте себе, что вместо рабоче­го у печи стоит робот — механическая рука. В упра­вляющей вычислительной машине заложена программа его действий. Нужно только отдать команду приступить к работе (рис. 48).





^ Рис 46 Структура сетчатки г газа


Рис 47 Экран передающей те ревизионной трубки





Рис 48. Манипулятор за работой


Робот зашевелился, протянул клешню в печь, на­щупал раскаленную деталь, взял ее точно посередине, осторожно вынул, перенес, минуя окружающие пред­меты, к ванне и опустил в масло. Вернулся за второй деталью, взял ее точно так же, потом за третьей, че­твертой... И так без устали, без передышки.

Для этого у него есть все возможности. В его клешне расположены фотоглаза, которыми робот «ви­дит» деталь и на расстоянии, и в непосредственной близости.

На рис. 49 показана структурная схема электронно­го блока робота, занимающегося построением «доми­ков» из кубиков под зрительным контролем. Телеви­зионная камера наблюдает за работой руки (глаз системы). Электронно — вычислительное устройство управляет механической рукой на основе анализа телевизионных сигналов и ин­формации о положении руки. Эта, казалось бы, очень простая задача тре­бует создания сложней­ших программ для ЭВМ. Следует сказать, что на пути к созданию ма­шин, способных приспоса­бливаться к окружающей обстановке, самое труд­ное препятствие — пробле­ма искусственного зрения. Это огромное поле дея­тельности для любого че­ловека, интересующегося системами электронного зрения и их практическим воплощением. А вот как все начиналось.


^ Рис 49 Схема интегрального робота


Рис 50 Селеновый фотоэле­мент


В 1917 году шведский химик Йене Берцелиус от­крыл новый химический элемент — селен. Было замече­но, что в обычных условиях он проводит электриче­ский ток очень плохо. Если включить в цепь (рис. 50) батареи и миллиамперметра пластину селена, то, пока свет не попадет на нее, ток в цепи будет очень слабым, так как удельное сопротивление селена велико. Но стоит лишь осветить селеновую пластину, как сопро­тивление ее резко уменьшается, а ток возрастает. Чем больше будет освещенность пластины, тем меньше ее сопротивление и тем сильнее ток в цепи.

Научное объяснение фотосопротивления было дано много лет спустя после его открытия. Сделал это наш выдающийся соотечественник Александр Григорьевич Столетов.

В наше время любой юный техник без особого тру­да может сделать фототранзистор. Принцип действия фототранзистора основан на чувствительности к свету полупроводникового р — и перехода. Кванты света, па­дая на переход, высвобождают в нем электроны. Чем больше световой энергии попадает на полупроводник, тем больше высвобождается электронов. В результате появляется дополнительный электрический ток через эмиттерный переход, управляющий сопротивлением транзистора. Для изготовления фоторезистора необхо­дим исправный транзистор МП40 или МП42 со статическим коэффициентом передачи тока h2i3 = 40... 100 и начальным током коллектора не более 20 мкА. Лоб­зиком осторожно спиливают крышку транзистора и тщательно удаляют с кристалла попавшие на него металлические опилки. Если эти операции выполнены аккуратно, транзистор не изменит параметров. Убе­дившись в этом, вы можете считать, что справились с изготовлением фоторезистора.

Окончательно проверяют работоспособность само­дельного фоторезистора авометром (рис. 51). Эмит — терный вывод фототранзистора присоедините к тому зажиму прибора, который соединен с плюсовым по­люсом внутренней батареи. Базовый вывод оставьте свободным.

Когда на фототранзистор не попадает свет (при­кройте его плотной бумагой), авометр должен показы­вать сопротивление более 50 кОм.

Теперь поднесите к фототранзистору включенную настольную лампу так, чтобы еще лучи падали на кри­сталл под прямым углом со стороны эмиттерного вы­вода. Стрелка омметра должна тут же отметить рез­кое уменьшение проходного сопротивления. На рас­стоянии 5... 10 см от лампы проходное сопротивление коллектор — эмиттер фототранзистора должно упасть до 100...200 Ом.

Поверните фототранзистор на 90° по отношению к его оси. Сопротивление увеличится в 5... 10 раз. О причине можно легко догадаться — лучи света стали теперь попадать только на часть кристалла. Уменьшилась поверхность облучения — уменьшилась и чувстви­тельность фотоэлемента. Отсюда вывод: совершенно небезразлично, как устанавливать фототранзистор по отношению к лучу света. Если этого не учитывать, из­готовленные вами фотореле будут работать ненадеж­но. Конечно, самодельные фотоприемники менее чув­ствительны и надежны по сравнению с выпускаемыми промышленностью.



^ Рис 51 Самодельный фототранзистор


Моделирование светочувствительных устройств из радиокубиков. Из радиокубиков можно собрать не­сколько таких устройств и проанализировать их рабо­ту. Перечислим самые простые из них: фоторезистор в цепи постоянного тока: фотореле с усилителем на транзисторе: автомат включения освещения: автомат ночной сш нализации.

^ Фоторезистор в цепи постоянного тока — устрой­ство, составленное из последовательно включенных фоторезистора ФСК — 1, измерительного прибора — мил­лиамперметра и источника питания, дает возможность продемонстрировать свойство полупроводников (фо­торезисторов) изменять сопротивление электрическому току под воздействием на них света.

При освещении фоторезистора светом сопротивле­ние ею уменьшается, ток в цепи увеличивается, что от­мечает миллиамперметр.

^ Фотореле с усилителем на одном транзисторе (рис. 52, а). Простая схема фотореле может быть приме­нена при построении системы, управляемой светом. Фотореле выполнено на транзисторе VT1, который играет роль усилителя постоянного тока. Нагрузкой служит обмотка электромагнитного реле К1. При на­жатии на кнопку SB1 реле не срабатывает, если фото­резистор затемнен. Если на фоторезистор направить свет, то его сопротивление уменьшится, транзистор откроется и реле сработает. Сопротивление токоограничительного резистора R1 зависит от параметров вы­бранной лампы.

^ Фотореле с усилителем на двух транзисторах (рис. 52, б) содержит двухступенный усилитель по­стоянного тока. Нагрузкой транзистора VT2 является обмотка реле. Это фотореле более чувствительно к малым световым потокам.

^ Чувствительное фоторелe с усилителем на транзи­сторах (рис. 52. в) собрано на двух транзисторах, которые работают в усилителе постоянного тока. Фото­реле чувствительно к малым световым сигналам.



Рис. 52. Фотореле с усилителями на тра и зисторах


Автомат включения освещения (рис. 53) позволяет автоматически включать освещение при наступлении темноты. Исполнительное устройство подключают к контактам реле.

^ Автомат ночной сигнализации (рис. 54) предста­вляет собой генератор световых сигнальных импуль­сов. Он начинает работать только при наступлении темноты или при затемнении фоторезистора. Длительность сигналов можно изменять подборкой конденса­тора в пределах 5... 100 мкФ.





Рис. 53. Автомат включения освещения



Рис. 54. Автомат ночной сигна­лизации


Некоторые из рассмотренных устройств можно ис­пользовать в роботе, в его светочувствительном блоке.


^ ЗДРАВСТВУЙ, МИКРО­ЭЛЕКТРОНИКА!


Современная микроэлектронная техника позволяет создать малогабаритные и высоко­чувствительные системы зрения самого различного назначения.

На рис. 55 приведена принципиальная схема фото­реле с цифровым логическим элементом. Датчиком служит фотодиод BD1, который подключен непосред­ственно к входам элемента DD1.1 (К155ЛБЗ).

Когда фотодиод освещен, его сопротивление мало и напряжение на выходе инвертора DD1.1 близко к ну­лю. На выходе элемента — высокий уровень, который закрывает транзистор VT1. Реле К1 отключается.

Стоит прервать световой поток, как сопротивление фотодиода увеличится, транзистор откроется, реле включится.

Порядок работы фотореле можно изменить — заста­вить реле срабатывать при освещении. Для этого вме­сто одного следует включить последовательно два инвертора.


^ Рис. 55. Микроэлектронное реле


Микроэлектронная система обнаружения пламени. В условиях современных роботизированных цехов осо­бое значение имеют системы предупреждения о по­жарной опасности. Ими можно оснастить самих роботов. Применение для обнаружения пламени темпера — турно — световых датчиков в ряде случаев оказывается нецелесообразным, так как они срабатывают не толь­ко при возникновении или исчезновении пламени, но и по разным другим причинам, например при случай­ном увеличении освещенности, повышении темпера­туры. Поэтому при использовании таких датчиков не­обходимо принимать зачастую очень сложные меры, чтобы исключить ложные срабатывания. Очевидно, что для четкого обнаружения пламени необходимы датчики, действие которых основано на изменении факторов, непосредственно характеризующих пламя.

Для открытого пламени, как показывает практика, наиболее характерна пульсация его инфракрасного и ультрафиолетового излучения — интенсивность раз­личных видов излучения пламени не остается постоян­ной, а изменяется во времени. Явление пульсации, обусювленное физическими процессами, происходя­щими при горении, можно наблюдать, в частности, на примере обычной газовой юрелки.

Как показали опыты, пульсация характеристик пламени многих горючих материалов, в том числе при искусственном распылении топлива (например, в топ­ках котлов и других теплоустановок), происходит с ча­стотой, лежащей в пределах 15...30 Гц.


^ 7. ОСЯЗАНИЕ РОБОТОВ


Создание по — настоящему разум­ного робота невозможно без датчиков, подобных ор­ганам чувств человека. О состоянии собственного тела мы можем судить и с закрытыми глазами — от нервных центров в мозт передается вся нужная информация. Системой «очувствления» должны обладать и само­управляемые роботы. Англизируя информацию о со­стоянии внешней среды и своем собственном, ЭВМ принимает решение о составе и последовательности действий.

Первым чувством, которому «научили» роботов, было осязание. Датчики давления, температуры, влаж­ности, встроенные в пальцы руки, позволяют роботу определять, есть ли рядом нужный предмет, каковы его размеры, форма, температура поверхности. Осяза­тельными (тактильными) датчиками оснащены роботы третьего поколения. Движущиеся, ходячие роботы оповещаются о приближении к препятствию спе­циальными антеннами.

Роботы, которые предназначены для сборки, дол­жны уметь распознавать отдельные детали. В послед­нее время появилась возможность создания искус­ственных органов осязания, заменяющих пальцы рук человека. В качестве искусственных, ощупывающих окружающие предметы органов осязания используют­ся емкостные, индукционные, температурные, радиоак­тивные и ультразвуковые щупы — датчики, которые спо­собны превращать воздействия, получаемые ими от ощупываемого предмета, в определенные электриче­ские сигналы.

Среди наиболее простых и наиболее распростра­ненных датчиков внешней информации можно отме­тить так называемые контактные датчики. На концах схвата — руки робота устанавливают специальные вы­ключатели, которые фиксируют факт прикосновения к детали или станку и посылают импульс в мозг робо­та. Десяток таких выключателей, расположенных не только внутри пальцев схвата, но и на наружной его поверхности (сверху, снизу, справа и слева), помогают роботу «на ощупь» определить положение детали или возникшего препятствия.

Однако человек, манипулируя предметом, фикси­рует не только факт соприкосновения, но и ощущает давление руки на предмет через кожу и таким образом может регулировать усилие сжатия соответственно массе и прочности предмета. Такой датчик предста­вляет собой, например, слой электропроводящего вспененного полиуретана, заключенного между тонки­ми металлическими пластинками. В зависимости от давления расстояние между пластинами меняется. Со­ответственно изменяется электрическое сопротивление цепи. Эти свойства искусственной чувствительной ко­жи уже используют при протезировании.

В качестве весьма грубого примера конструкции схвата манипулятора, ощущающего предметы, рассмо­трим устройство манипулятора Эрнста (рис. 56), со­бранного им в конце 1961 года. Манипулятор оснащен двумя группами датчиков. Одну образуют датчики, установленные во всех подвижных сочленениях. Они посылают информацию о том, как механизм выпол­няет сигналы, управляющие движением всех сочленений руки. Это датчики внутренней обратной связи. Си­стема непрерывно сравнивает те положения руки, ко­торые задает управляющая машина, с положениями, которые рука занимает в действительности, и в со­ответствии с результатами этого сравнения ЭЦВМ не­прерывно генерирует сигналы управления, устраняю­щие рассогласование, заставляя механическую руку занимать нужные положения и нужным образом ме­нять их.

Вторая группа датчиков установлена на схвате. Именно эти датчики связывают руку с внешним ми­ром. Схват, как обычно состоит из двух пальцев. Верх­няя, нижняя и передняя плоскости каждого пальца ос­нащены контактными датчиками, работающими в двоичном коде: включен — выключен. Эти датчики сигнализируют о том, что рука наткнулась на объект нерабочим участком. На внутренней и рабочей передней плоскостях каждого пальца расположено еще по восемь датчиков. Они работают уже не в двоичном коде, а генерируют сигналы, уровень которых пропор­ционален силе нажатия на датчик. Шесть из них распо­ложены на рабочих плоскостях схвата и информируют о том, какие части плоскостей участвуют в схвате и с какой силой пальцы сжимают объект.



^ Рис. 56. Манипулятор Эрнста:

1 — датчик, определяющий положение объекта между пальцами схвата; 2 — датчик сигнализации соприкоснове­ния с нерабочими участками пальцев; 3 — датчик, сигна­лизирующий о расположении схватываемого объекта; 4 — фотодиод, реагирующий на тень объекта; 5 — датчики, сигнализирующие о соприкосновении с объектом; 6 — датчик, включающийся при соприкосновении руки со столом


Два датчика, расположенные на передних плоско­стях пальцев, регистрируют силу сопротивления дви­жению схвата со стороны объекта. В случае, если рука с ним сталкивается в процессе движения, эти датчики позволяют получить информацию о протяженности и размерах этого объекта.

Таким образом, схват — его рабочие и нерабочие по­верхности — снабжен подобием осязания и очувствлен по силе сжатия. Кроме того, на передних поверхностях пальцев между датчиками осязания помещено по гла­зу — фотодиоду, реагирующему на затенение: когда ру­ка приближается к какому — либо объекту, но еще не коснулась его, в машину поступает сигнал о прибли­жении и о необходимости снизить скорость перемеще­ния. ЭЦВМ принимает, обрабатывает и использует принятую информацию при реализации заданной про­граммы.

Манипулятор Эрнста работает как робот с «завя­занными глазами». Датчики, которыми он оснащен, собирают информацию вслепую — осязанием, «на ощупь». Он не может отделить процесс сбора инфор­мации от процесса движения, сначала получить пред­ставление о ситуации, сложившейся во внешнем мире, и только затем начать действовать. Именно поэтому он вынужден искать их один за другим. А настоящий робот должен иметь такие органы чувств, которые да­ли бы ему возможность предпослать движению сбор информации.


^ КОНСТРУИРОВАНИЕ СЕНСОР­НЫХ УСТРОЙСТВ


Как мы уже говорили, неотъемле­мой частью систем осязания роботов являются сен­сорные устройства, вызывающие срабатывание меха­низмов ориентации и захвата предметов. Контактное управление все чаще находит сейчас применение в раз­ных областях. В обыденной жизни можно встретиться с этим способом управления в лифте. В современных лифтах вместо обычных кнопок устанавливаются на панели сенсорные контакты — неподвижные металличе­ские пластины, при прикосновении к которым прихо­дит в действие механизм лифта.

Что это за система управления, как она работает и каковы ее преимущества? Сенсорное управление имеет одно преимущество — в нем нет электрических контактов — одного из самых ненадежных звеньев элек­тронной аппаратуры. Именно благодаря этому бескон­тактное управление нашло широкое распространение. В частности, сенсорными переключателями каналов оснащены многие современные телевизоры.

Как работает система сенсорного управления? Раз­личают два способа воздействия: емкостное и рези — стивное.

Тело человека имеет определенную довольно боль­шую емкость (рис. 57) относительно окружающих про­водящих предметов. Поэтому, когда человек прика­сается к металлической пластине — сенсорному контак­ту (или короче — сенсору), резко изменяется емкость, приведенная к входу аппарата. На этом основана ра­бота емкостного сенсора.

В резистивном сенсоре использовано сопротивле­ние покрова пальца (рис. 58). В этом случае сенсор со­стоит из двух изолированных металлических пластин, которые замыкают пальцем при прикосновении.

Самая простая система сенсорного управления по­добного рода может выглядеть так, как представлено на рис. 59. В исходном состоянии, т. е. тогда, когда мы не касаемся сенсора Е1 пальцем, через транзистор VT1 течет очень слабый ток, поэтому напряжение на его коллекторе равно напряжению питания (на резисторе R1 почти нет падения напряжения). Прикоснове­ние пальца к обеим частям сенсора равнозначно вклю­чению резистора между источником питания и базой транзистора. Таким образом, появляется базовый ток, что вызовет увеличение тока через цепь коллектора и включенный там резистор. При этом напряжение на коллекторе немедленно уменьшится — на выходе сфор­мируется так называемый перепад напряжения. Если убрать палец с сенсора, напряжение на выходе восста­новится. Таким простым способом — прикосновением пальца к сенсору — мы вызываем образование импуль­сов напряжения на выходе устройства.



Рис. 57. Емкостный сенсор



Рис. 58. Резистивнъш сенсор



Рис. 59. Система контактного управле­ния


Зная, как образуются управляющие электрические импульсы, можно сравнительно просто собирать раз­личные устройства, выполняющие те или иные задачи. Так на рис. 60, а представлена структурная схема узла управления освещением. Мы видим здесь три ос­новных составных элемента: сенсор Е1, усилитель сиг­нала, электронный переключатель — триггер, усилитель постоянного тока и его нагрузка — ее роль играет лам­па накаливания HL1. Принципиальная схема устрой­ства показана на рис. 60,6. Электрические импульсы с выхода усилителя на транзисторе VT1 переключают триггер, собранный на транзисторах VT2, VT3. Триг­гер переходит из одного устойчивого состояния в дру­гое, когда открыт то один из его транзисторов, то другой.

Когда открыт транзистор VT3, то закрыт транзи­стор VT4 усилителя тока и лампа не горит. Она заго­рается при закрывании транзистора. В устройстве ис­пользована лампа на напряжение 6 В и ток 0,1 А.

В устройстве можно применить любые герма­ниевые транзисторы малой мощности. Германиевые диоды — тоже любые. Важно лишь, чтобы в триггере были однотипные транзисторы и однотипные диоды. Источник питания — две батареи 3336, соединенные последовательно.




^ Рис. 60. Сенсорная система управления освещением:

а монтажная схема, б структурная схема

После того как устройство будет смакетировано и проверено, его можно установить в корпус настоль­ной лампы. На рис. 61 показано примерное размеще­ние отдельных узлов и деталей в корпусе лампы.




Скачать 1.27 Mb.
оставить комментарий
страница3/5
Дата29.09.2011
Размер1.27 Mb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   2   3   4   5
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх