Занимательная анатомия роботов


НазваниеЗанимательная анатомия роботов
страница3/11
Дата публикации15.03.2013
Размер1.23 Mb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Журналистика > Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

^ 2. БИОНИКА И КИБЕРНЕ­ТИКА —

ТЕОРЕТИЧЕС­КИЕ ОСНОВЫ РОБО­ТОСТРОЕНИЯ

БИОНИКА — СТЕРЖЕНЬ РОБО­ТОТЕХНИКИ
Если роботы первою поколения, похожие на бесчувственные часовые механизмы, из­вестны человечеству с давних времен, то роботы вто­рого и третьего поколений смогли появиться лишь в XX веке, вслед за выдающимися достижениями со­временной науки и техники. Своим существованием они обязаны бионике и кибернетике. Эти науки созда­ли научный фундамент для построения мыслящих ма­шин высших поколений.

Необходимость приспособления (адаптации) робо­тов к изменяющимся условиям внешней среды потре­бовала разработки для них органов чувств, анало­гичных человеческим: слуха, зрения, осязания. Здесь конструкторы вынуждены были обратиться за кон­сультацией к природе, создавшей у живых существ самые разнообразные органы чувств.

Цель бионики (так называется эта сравнительно но­вая наука) — перенесение в технику принципов действия систем, управляющих живыми организмами.

За время развития жизни на Земле в процессе есте­ственного отбора природа создала массу замеча­тельных образцов живых «инженерных систем». Мно­гие изобретения природы заимствовались людьми для создания конструкций еще в древности. Так, древние арабские врачи, изучая глаз человека, создали линзы — подобие хрусталика глаза. Великий русский ученый Н. Е. Жуковский, исследовав полет птиц, разработал теорию подъемной силы крыла и современную аэро­динамику. Таких примеров — множество.

Ученым — бионикам принадлежит идея использова­ния биоэлектрических сигналов мышц для управления. С давних времен люди искали способы вернуть руку тем, кто ее лишился. И это удалось сделать нашим со­ветским ученым. Они использовали биотоки мышц. Известно, что, когда человек двигает рукой или ногой, в его мышцах возникают биотоки. Появляющиеся в мышцах биопотенциалы можно снять с помощью электродов и усилить. Первую модель искусственной руки, управляемой биопотенциалами, изготовили в СССР в 1957 году. В 1960 году в Москве на Конгрес­се по автоматическому управлению 15 — летний маль­чик, у которого не было кисти руки, взял протезом ку­сок мела и написал на доске ясно и четко: «Привет участникам Конгресса!». Протезом его кисти управля­ли биотоки мышц.

Искусственная рука, созданная советскими учены­ми, вернула к труду уже сотни людей как в СССР, так и за рубежом. Глава английских медиков доктор Р. Джонс сказал: «Русские достигли огромного прогресса в электронной физиологии». Приобрела лицен­зию на советскую биоэлектрическую руку и Канада. Писатель Дж. Олдридж назвал это изобретение уро­ком гуманизма, который оставит глубокий след во многих сердцах.

Итак, несмотря на слабость биотоков, усилитель мышечной энергии можно наделить богатырской си­лой.
^ ПРОБЛЕМА «ЧЕЛОВЕК — МАШИНА»
С возникновением машин, облег­чивших человеческий труд, перед бионикой появилась проблема взаимоотношений человека и машины.

Здесь выявилось очень много интересного. Так, бы­ло установлено, что во многих производственных про­цессах (например, при управлении автомобилем или самолетом) полная замена человека автоматическим устройством либо невыгодна, либо невозможна. Сле­довательно, встает проблема оптимального распреде­ления обязанностей между человеком и машиной. Ин­тересно сравнить характеристики человека и техниче­ских устройств, в частности сопоставить эффектив­ность их работы в различных условиях.

В процессе биологической эволюции физиологиче­ская и психологическая конституция человека приспо­собилась к условиям земного существования. Доволь­но узкий диапазон изменения температуры и давления воздуха и постоянство его состава, земное притяжение и лучевая энергия, падающая на поверхность Земли, — вот характеристики окружающей среды, в которой проходит жизнь человека. Выход в космос насиль­ственно ставит человека в совершенно новую, не­привычную среду. Это может привести к временным или даже необратимым нарушениям в организме человека.

Человек не выдерживает сравнения с автоматом и по чувствительности к воздействию радиоактивного облучения. А радиационная устойчивость электронных систем в десятки раз выше допустимой для человека дозы облучения. Исключительно чувствителен человек и к воздействию ускорений и колебаний температуры. Однако не только это создает трудности при кон­струировании пилотируемых космических кораблей. Следует учитывать и такие проблемы, как обеспечение возможности дыхания и питания человека в космиче­ском корабле, а также удаления продуктов обмена, контроль за мышечной деятельностью и действием си­стемы кровообращения в условиях невесомости и, на­конец, психологическую подготовку экипажа к полету в космос. Следует иметь в виду также, что человек подвержен усталости и его работоспособность време­нами значительно понижается, в то время как авто­маты способны работать надежно длительный срок.
^ ЧТО ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА?
Итак, робот с помощью своих ор­ганов чувств получил информацию о внешней среде: он увидел, услышал, почувствовал... Теперь нужно ре­агировать на полученные сигналы: протянуть руку, взять нужную деталь, с большой точностью устано­вить ее на место, закрепить винтами и т. д. Как все это выполнить «по — человечески» — плавно, без лишней суеты, рывков? Ответ на этот вопрос дает кибернети­ка. Кибернетика неотделима от бионики. Говорят да­же, что кибернетика родилась «под знаком робота».

В самой краткой формулировке кибернетика — это наука об общих законах управления в живых и не­живых системах. О кибернетике каждый из вас немало слышал, а может быть, и читал. Сейчас всякий школь­ник знает, что такое электронная вычислительная машина, луноход и робот. Все это — кибернетические машины. Удивительное и кибернетика — рядом. Трудно даже поверить во все ее чудеса.

Наверное, каждому из вас хотелось бы поближе по­знакомиться с кибернетикой, чтобы в школьном круж­ке или дома с товарищами построить ту или иную ки­бернетическую модель. Разве не интересно сконструи­ровать своего кибернетического песика или неболь­шую электронную вычислительную машину? Найдут­ся и такие ребята, которых больше интересует теория: любопытно узнать, какой «алгеброй» пользуются вы­числительные машины или как подсчитать количество информации в прочитанной книге?..

^ 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ —

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОСНОВА РОБОТОСТРОЕНИЯ
Пытаться конструировать радио­электронные системы роботов, не представляя хорошо их теории и физических основ, — это значит работать с очень низким коэффициентом полезного действия. Создать какую — либо систему робота, не понимая ее су­ти, невозможно. Работа должна строиться на прочной основе теоретических знаний — только тогда кон­структор с каждой новой разработкой будет расши­рять диапазон своих знаний и переходить к новым ру­бежам творчества.

Партией и правительством перед народом Совет­ского Союза поставлена важнейшая задача — всемерное ускорение научно — технического прогресса. Это отно­сится не только ко взрослым, но и к школьникам. Перед юными техниками стоит задача: в короткие сроки освоить элементы теории радиоэлектроники, микросхемотехники и робототехники. Все это — новей­шие сложные области техники, без их знания немыс­лим современный знающий инженер, техник и зача­стую даже квалифицированный рабочий. Но если изучать их старыми методами — только по книгам, — то без определенной системы достичь чего — либо суще­ственного будет трудно. Как же быть?

Ученые утверждают, что лучшим способом освое­ния теории является эксперимент. С каких же экспери­ментов лучше всего начинать?

К примеру, в этом вам может помочь серийно вы­пускаемый промышленностью конструктор «Радиоку­бики». Если на монтаж с помощью пайки и наладку громкоговорящего приемника у ребят уходит иногда до двух — трех месяцев, то для сборки такого же при­емника из магнитных радиокубиков нужно всего три — пять минут. Три минуты вместо трех месяцев! Вот вам и пример ускорения научно — технического прогрес­са.

Пользуясь радиокубиками, вы изучите теоретиче­ские основы радиоэлектроники, ознакомитесь с раз­личными радиодеталями, их назначением и свойства­ми.

Затем можно будет последовательно переходить к следующим конструкторам, выпускаемым промыш­ленностью:

модульному для сборки сложных радиоэлек­тронных систем из простейших типовых узлов — моду­лей;

для изучения логических основ построения ЭВМ и знакомства с микросхемотехникой;

для сборки и исследования основных каналов ЭВМ.

Обо всех этих конструкторах мы еще расскажем, а пока ответим на вопрос: что же это такое — модели­рование и как оно применяется в практике современ­ного технического конструирования?
^ МОДЕЛЬ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
Современные научно — технические исследования и промышленное строительство ведутся с огромным размахом, и на них затрачивается много средств (вспомним хотя бы о космических исследова­ниях). Поэтому ошибки или просчеты могут привести к бесполезной грате материально — технических и люд­ских ресурсов. Этого можно избежать, если предвари­тельно изучить процессы и явления, протекающие в реальном объекте, с помощью модели. В технике моделью называют уменьшенное или упрощенное подобие интересующего нас объекта, для которого ха­рактерны процессы, сходные с процессами, происходя­щими в этом реальном объекте. Изучение свойств мо­дели дает ориентировочное представление о свойствах и возможностях объекта.

В качестве моделей иногда применяют устройства, имеющие физическую природу, отличную от природы оригинала.

Недаром В. И. Ленин в своей работе «Материализм и эмпириокритицизм» писал: «Единство природы об­наруживается в «поразительной аналогичности» диф­ференциальных уравнений, относящихся к разным областям явлений» [В. И. Ленин. Полн. собр. соч. Т. 18. С. 306.].

Существуют аналогии между законами, выражаю­щими различные физические явления. Например, ана­логичны закон Ома для электрического тока, закон Фурье для теплового потока и закон Дарси для скорости фильтрации жидкости через пористую среду. На основе метода аналогии и создают модель. В ней из­вестные процессы, все параметры которых легко под­даются измерению, описываются той же системой уравнений, что и изучаемые процессы в оригинале.

Современные любительские конструкции роботов содержат множество сложных радиоэлектронных си­стем, предварительную отработку которых также це­лесообразно проводить на моделях. В качестве техни­ческого средства моделирования различных систем роботов можно рекомендовать радиокубики. Мы уже их упоминали, а теперь расскажем о них подробнее.

Даже в сравнительно простых имитаторах речи ав­томатов («электронные сирены» и др.) или «речи» жи­вотных (пение птиц, лай собаки и др.), содержащих сотню и более деталей, требуемое подобие сигналов схемы естественной «речи» животных или машин мож­но получать, меняя параметры трех — пяти различных деталей. Вот тут — то и приходят на помощь радиокуби­ки. Они позволяют быстро и весьма наглядно решать основные задачи радиоэлектроники — от сборки про­стейшего детекторного приемника до различных им­пульсных устройств и элементов электронных вычис­лительных машин. Для любителей — роботостроителей такие кубики очень удобны. Они есть в продаже, но их можно сделать и самостоятельно. Из кубиков соби­рают самые различные устройства — от простейшего детекторного приемника до громкоговорящего прием­ника или даже модели нейронов мозга.
МОДЕЛИРОВАНИЕ

^ РАДИО­ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ИЗ РАДИОКУБИКОВ
Радиокубики — это небольшие пластмассовые коробки, в которые вмонтированы раз­личные радиодетали и магниты, притягивающие куби­ки один к другому и соединяющие их в единое рабо­тающее устройство (рис. 10). На каждом кубике изображено условное обозначение содержащихся в нем деталей. Имея набор таких кубиков, можно в считанные минуты собрать из них самые различные устройства. Их собирают на металлической пластине, являющейся одновременно общим проводом устрой­ства. Источником питания служат батарея «Крона», или две батареи 3336, или сетевой блок.




^ Рис. 10. Набор ра­диокубиков


В конструкции радиокубиков применен минимум деталей. На боковых сторонах кубиков установлены кон­тактные пластины из нейзильбера, к которым изнутри кубиков припаяны проводники или радиодетали. За контактными пластинами расположены ферритовые магниты.

Изучение электроники на кубиках начинают с про­стейших электрических устройств. На этом этапе зна­комятся с назначением различных радиодеталей, RC — цепями, транзисторами и их свойствами. Затем можно перейти к освоению мультивибратора, триггера и ло­гического элемента.

Собрав устройство по схеме на рис. 11, можно по­знакомиться с основными свойствами транзистора — главного элемента современной электроники. Управляюший электрод транзисто­ра — база. Давайте посмотрим, как слабый ток базы ib влияет на мощный коллекторный ток ik. Включим в базовую цепь высокоомный телефон ВА1, а лампу HLl — в цепь коллектора. Нажмем на кнопку SB1 и прикоснемся несколько раз к выводу базы тран­зистора выводом телефона. При этом мы замыкаем цепь базы — загорается лампа, и в телефоне слышен щелчок. Транзистор в момент касания открывается и проводит ток. Когда цепь базы оборвана (ток базы равен нулю), лампа не горит, значит, нет и тока кол­лектора — транзистор закрыт.





Рис. 11. Изучаем свойство транзистора



Рис. 12. Эксперимент с гальваниче­ским элементом
Если в цепь базы вместо телефона включить рези­стор сопротивлением 10 кОм, смонтированный в угло­вом кубике, можно наглядно проиллюстрировать ра­боту транзистора как электронного выключателя. Когда цепь базы замкнута, транзистор открыт и кол­лекторный ток зажигает лампу. При разомкнутой базовой цепи транзистор закрыт и лампа не горит. Продолжаем изучать свойства транзистора. На этот раз мы увидим, как самодельный гальванический элемент зажигает лампу (рис. 12).

Соедините с общим проводом небольшую пласти­ну из латуни, на нее положите клочок бумажной сал­фетки, смоченный уксусом. Поверх салфетки поместите небольшую пластину из алюминиевой фольги от кон­феты. Получился химический источник тока G1, в ко­тором латунь служит положительным полюсом, а фольга — отрицательным. Разумеется, напряжение и ток этого элемента настолько малы, что никакая лампа от него не загорится. Но он способен управлять транзистором — усилителем постоянного тока. Наш эле­мент обеспечит базовый ток, а транзистор коллек­торным током зажжет лампу, которая будет получать питание от источника коллекторного тока GB1.

Вот как это произойдет. Нажмите на кнопку SB1 и выводом базы транзистора дотроньтесь до фоль­ги — отрицательного полюса элемента G1 — лампа за­жжется. Таким образом, с помощью транзистора даже слабому элементу удалось зажечь лампу.




Рис. 13. Радиоприемник из кубиков


И в заключение — простейший радиоприемник. Для сборки радиоприемника (рис. 13) понадобится колеба­тельный контур — конденсатор С2 и катушка L1. Кар­кас катушки склеивают из бумаги на отрезке круглого стержня длиной 40...45 мм и диаметром 8 мм из фер­рита 400НН или 600НН. Чтобы приемник мог при­нимать радиостанции средневолнового диапазона, на­мотайте на каркас 80 витков эмалированного провода диаметром 0,15...0,18 мм.
МОДЕЛИРОВАНИЕ

^ РОБОТО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАДИОЭЛЕКТ­РОННЫХ УСТРОЙСТВ ИЗ МО­ДУЛЕЙ
Типовые модули являются осно­вой всех промышленных радиоэлектронных разрабо­ток. В этом отношении наиболее убедителен пример конструирования современных ЭВМ. Первые лам­повые ЭВМ состояли из множества типовых модулей. Транзисторные ЭВМ или, как их называют, ЭВМ вто­рого поколения (серия «Минск» и др.) также собраны из транзисторных модулей. Для удобства конструиро­вания ЭВМ второго поколения было разработано не­сколько серий типовых радиоэлектронных модулей.

Вывод: нужно осваивать модульное конструирова­ние! Это современно, экономично и удобно.

Модульный конструктор. Радиокубики помогли нам понять назначение и свойства различных радиоде­талей и транзисторов. Из кубиков можно собирать от­дельные простые действующие устройства: мультивибраторы, ждущие мультивибраторы, триг­геры и т.п. Но это только кирпичики более сложных радиоэлектронных устройств различного назначения.

Так же как многоэтажный современный дом собирают из отдельных простых элементов, так и самые сложные электронные аппараты, и робототехнические устройства в том числе, собирают из отдельных моду­лей — мультивибраторов, триггеров и т. п. Именно из та­ких модулей создавали ЭВМ, а мы из них будем соби­рать различные занимательные конструкции. Модули помогут нам моделировать робототехнические си­стемы речи, слуха, зрения.

Промышленность выпускает модульный конструк­тор (рис. 14), состоящий из нескольких модулей. В первую очередь нам потребуются:

модуль А — логический элемент ЗИ — НЕ с откры­тым выходом;

модуль Б — маломощный логический элемент ЗИ — НЕ;

модуль В — триггер, составленный из двух элемен­тов И — НЕ;

модуль Г — ждущий мультивибратор;

модуль Е1 — мультивибратор;

модуль Е2 — управляемый мультивибратор.

Используя модульные блоки, можно собирать мо­дели различных устройств со звуковым выходным сиг­налом, которые можно будет использовать в раз­личных робототехнических устройствах.

Одно из простейших устройств такого рода — гене­ратор звуковой частоты (рис. 15). Из схемы видно, что на входы модуля D3 поданы сигналы с двух мульти­вибраторов D1 и D2. Один из них, D1, вырабатывает сигнал с частотой около 2000 Гц, второй, работающий с частотой около одного герца, периодически преры­вает звуковой сигнал.



^ Рис. 14. Модульный конструктор

А — выходной усилитель, Б — элемент ЗИ НЕ, В — триг­гер, Г~ждущий мультивибратор, Е1 — мультивибратор, Е2 — управляющий мультивибратор




^ Рис. 15 Генератор звуковой ча­стоты (наутофон)



Рис. 16 Сигнальное устройство с прерывистыми сигналами


Если дополнить этот генератор еще одним мульти­вибратором (рис. 16), то можно получить сигнальное устройство, звуковые импульсы которого будут пре­рывистыми. Модули этого устройства такие же, как и в предыдущем, только у мультивибратора D3 кон­денсаторы Cl, C2 имеют емкость по 2 мкФ.

Такой гудок может выполнять функции сторожево­го устройства. Для этого надо отключить модуль D2, а освободившийся вход модуля D4 через пару замк­нутых сторожевых контактов или тонкую сторожевую проволоку соединить с плюсовым выводом батареи GB1. При размыкании контактов или при обрыве про­волоки раздастся прерывистый — тревожный сигнал. По схеме рис. 17 можно собрать гудок, тон которого будет периодически меняться.

В тех случаях, когда необходимо ограничить время звучания гудка, устройство можно построить по схеме рис. 18. При нажатии на кнопку SB1 подается запу­скающий перепад напряжения на вход ждущего муль­тивибратора D1. На его входе появляется высокий ло­гический уровень напряжения, и начинает работать управляемый мультивибратор D2. Его сигнал через логический элемент D3 поступает на динамическую головку ВА1.




Рис. 17. Схема гудка с периодически меняющимся тоном




Рис. 18. Схема гудка с ограниченным временем звучания


Примером устройства, использующего одновре­менно и звуковую, и световую сигнализацию, может служить контрольное устройство для дежурного робо­та (рис. 19). Рассмотрим работу этого устройства. За­дающий мультивибратор D1 периодически переклю­чает триггер D2 в состояние, при котором на его выходе присутствует высокий уровень напряжения. Этот уровень приложен к входу логического элемента D8, нагруженного сигнальной лампой HL1. Выходной сигнал мультивибратора D6 прерывает свечение лам­пы, делая световой сигнал более заметным.

С выхода триггера D2 сигнал поступает также на элемент совпадения D3. Сигнал с выхода инвертора D4 включает управляемый генератор D5. Выходной сигнал этого генератора через элемент D7 подан на динамическую головку ВА1. Поскольку на второй вход элемента D7 подан также сигнал с мультивибра­тора, звуковой сигнал будет прерывистым.


Рис. 19. Схема контрольного устройства для дежурного робота
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Похожие:

Занимательная анатомия роботов iconМихаил Гаспаров Занимательная Греция ocr библиотека сно
«Гаспаров М. Л. Занимательная Греция»: Новое литературное обозрение; Москва; 2004
Занимательная анатомия роботов iconЭкзаменационные вопросы по дисциплине «Анатомия человека»
Анатомия и ее место в ряду биологических дисциплин. Значение анатомии для медицины. Методы анатомических исследований
Занимательная анатомия роботов iconАнатомия (анатомия опорно-двигательного аппарата) объемные требования...
Уровни организации живого организма. Строение клетки. Ткани, органы, системы органов
Занимательная анатомия роботов iconВопросы к экзамену по дисциплине «Анатомия и морфология человека»
Анатомия как наука: предмет изучения, задачи и методы анатомии, связь с другими науками. Понятие об органе, системе органов и аппарате...
Занимательная анатомия роботов iconЭкзаменационные вопросы По курсу анатомия человека Общетеоретические вопросы история анатомии
...
Занимательная анатомия роботов icon«Топографическая анатомия и оперативная хирургия лёгких и органов...
Актуальность темы: Топографическая анатомия легких и средостения является теоретической основой торакальной хирургии
Занимательная анатомия роботов icon«Топографическая анатомия и оперативная хирургия сердца и перикардиальной сумки»
Актуальность темы: Топографическая анатомия сердца и сердечной сумки служит анатомическим обоснованием технологии оперативных вмешательств...
Занимательная анатомия роботов iconОтчет по курсовому проекту по дисциплине «Расчет моделирование и конструирование оборудования»
Общий обзор систем и устройств смазывания мрс и промышленных роботов. Патентный обзор и обзор периодики
Занимательная анатомия роботов icon«Топографическая анатомия и оперативная хирургия переднебоковой стенки живота»
Актуальность темы: Топографическая анатомия переднебоковой стенки живота является анатомической основой технологии грыжесечения,...
Занимательная анатомия роботов icon«Топографическая анатомия и оперативная хирургия надплечья и плеча»
Актуальность темы: топографическая анатомия надплечья и плеча верхней конечности служит обоснованием хирургических вмешательств на...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница