Кибернетическая картина мира

Рис. 3.7. Преодоление препятствий шагающим устройством

лах от 1,5 до 4,5 м соответственно. Для колесной машины ширина преодолеваемого рва В не может превышать половины диаметра колеса D (рис. 3.6, б). Для восьмиколесного шасси ширина преодолеваемого рва значительно увеличивается и определяется расстоянием между соседними колесами К. Преодоление рва для шагающего устройства определяется длиной шага, т. е. размерами ll, l2 и углами θ1 и θ2 (см. рис. 3.7). Для указанных ранее весов шагающих устройств размеры преодолеваемых рвов лежат в пределах от 1,2– 3,5 м. Серьезным препятствием для колесных и гусеничных машин являются всевозможные надолбы, каменные тетраэдры и срубленный лес. Проходимость в этом случае определяют клиренсом машины, который у гусеничных машин составляет 0,3–0,6 м, у колесных – от 0,2 до 0,5 м, а иногда более. Сплошное нагромождение острых камней, каменных тетраэдров и т. п. является практически непреодолимым препятствием для колесных и гусеничных машин.

Рис. 3.8. Диапазон изменения клиренса шагающего устройства

141

Шагающие устройства благодаря большому диапазону изменения клиренса Т (рис. 3.8) довольно легко их преодолевают.

Максимальный подъем, преодолеваемый гусеничными и колесными машинами, равен 35°, допустимый боковой крен – 30°. Для шагающих машин эти параметры при необходимости могут быть увеличены за счет применения специальных грунтозацепов.

Анализируя сказанное, можно сделать вывод, что гусеничные машины имеют преимущества перед колесным типом движителей при преодолении препятствий. Шагающие устройства обладают несомненным преимуществом перед любым типом движителя в условиях сложного рельефа поверхности, поскольку даже при одних и тех же размерах препятствий (например, рва) они обладают значительно меньшим весом, чем гусеничные.

Проведенное сравнение различных типов движителей, безусловно, является не полным, так как многие предположения нуждаются в экспериментальной проверке. При сравнении затрат мощности на перемещение нужно учитывать не только статическую деформацию грунта, но и динамические явления, происходящие в момент соприкосновения опоры с грунтом. Кроме этого, необходимо достаточно полно учесть внутренние потери в различных движителях, что можно осуществить методом моделирования. Тем не менее из приведенного исследования можно сделать вывод, что шагающие устройства обладают преимуществом перед другими типами движителей не только в условиях сложного рельефа поверхности, но и в условиях глубокого вакуума и большого перепада температур, поскольку вопросы герметизации и термостатирования решаются для них проще, чем для других типов движителей.

Шагающие устройства обладают определенными преимуществами при использовании их в качестве движителей автономных устройств типа «робот», поскольку при обеспечении их системой датчиков и бортовым вычислительным комплексом они дают более полную картину состояния поверхности и обладают большей гибкостью поведения, чем колесные и гусеничные устройства в аналогичной ситуации. За счет выигрыша в энергетических затратах (из-за дискретной колеи) в условиях сложного рельефа у шагающих устройств может быть значительно увеличен запас хода по сравнению с другими типами движителей.

При межпланетных транспортировках немаловажным преимуществом является и возможность складывания ног для уменьшения необходимого пространства внутри корабля, которое ограни-

142

чивается аэродинамическими силами, действующими на корабль во время старта. Другие типы движителей в своем большинстве этим свойством не обладают.

Более подробное исследование, основанное на методах моделирования на ЭВМ и на экспериментальных данных, может дать зависимости для четкого определения области применения того или иного типа движителя.

Немаловажную роль при создании шагающей машины, управляемой ЭВМ, играет выбор типа привода и источников энергии. При выборе типа привода необходимо, прежде всего, четко знать задачи, поставленные перед машиной, и условия, в которых она будет работать. В соответствии с этим выбирается источник энергии (турбина, двигатель внутреннего сгорания, пороховой двигатель, электрические или гидравлические аккумуляторы, солнечные батареи и др.). В исполнительных механизмах могут быть использованы электрические, пневматические или гидравлические двигатели.

Шагающая машина, управляемая от ЭВМ, предусматривает отдельный двигатель на каждом суставе ноги. Таким образом, на каждую степень подвижности приходится по одному двигателю. Применение ротационных двигателей связано с преобразованием вращательного движения в поступательное, что влечет наличие дополнительных механических частей типа реечных передач, тросовых и т. п. Поэтому целесообразно применять двигатели с поступательным типом движения.

Электроприводы поступательного типа (шаговые электродвигатели, электромагнитные муфты) неудовлетворительно работают в условиях большого перепада температур и обладают сравнительно большим весом и габаритами. Электромагнитные муфты и шаговые двигатели являются приводами дискретными, что не всегда может удовлетворить требованиям к шагающим машинам. Кроме этого, при трех, четырехкратных перегрузках они выходят из строя.

Получение низких скоростей выходного вала электропривода связано с применением редукторов. Наиболее целесообразным в этом случае является применение волновых редукторов, которые отличаются небольшими габаритами и весом при высокой степени редукции. Пневмопривод легко регулируется в большом диапазоне, обладает хорошими весовыми характеристиками на единицу мощности, но при увеличении нагрузки на исполнительных органах теряет жесткость характеристик и не приспособлен к работе в условиях большего перепада температур.

143

Особоговниманиязаслуживаетгидропривод.Всовременнойпромышленности он находит все более широкое применение, особенно в станкостроении (например, в станках с программным управлением) и в различных конструкциях ЛА, где выполняет функции, аналогичные «мышцам» шагающей машины.

Широкое применение гидропривода объясняется его преимуществами, основными из которых являются малые габариты и вес, приходящиеся на единицу мощности. Обычно габариты гидромоторов составляют 10–13% от габаритов электродвигателей, а вес – от 10 до 20% веса электродвигателей той же мощности. Важным преимуществом гидропривода является его малая инерционность. За счет этого время реверса мотора и разгона насоса от нулевой до полной производительности составляет около 0,03–0,04 с. Преимуществом гидропривода является также возможность бесступенчатого регулирования выходной скорости при высокой степени редукции, а также плавность, равномерность и устойчивость движения, большой срок службы и высокий КПД. Применение новейших рабочих жидкостей с диапазоном температур от минус 54 до 230 °С позволяет использовать гидропривод в любых климатических и температурных условиях.

Следует отметить, что в настоящее время нет единой теории информационных роботов, и она может быть построена только с учетом трех основных компонентов – конструкции, энергии и информации. До сих пор информационный аспект совершенно не учитывался при создании подвижных систем. Этим можно объяснить неуспехв постройкетакихсистем,какшагающаямашина,ЛАсмашущими крыльями, плавающий аппарат с хвостом. По-видимому, решение двух последних задач можно искать в классе информационных систем с датчиками обратной связи. Летательный аппараторнитоптер должен иметь датчики характеристик воздушного потока подобно птице, которая имеет чувствительные перья на груди. Плавающий аппарат с хвостом должен иметь датчики характеристик водяного потока. Эта информация должна перерабатываться вычислительной машиной для управления рабочими органами.

3.6. Информационные системы роботов

Одним из основных отличий роботов-манипуляторов, управляемых ЭВМ, является то, что они могут активно взаимодействовать с

144

реальной внешней средой, используя информацию о ее состоянии и о состоянии своих рабочих органов (рук, ног и т. п.). В общем виде задачи, выполняемые роботом-манипулятором, могут состоять из следующих этапов: поиск объекта (или объектов), передвижение руки (рук, рук с инструментами) к объекту, ориентация руки (инструмента) относительно объекта определенным образом, выполнение различного рода манипуляций, возвращение руки манипулятора в исходное положение или переход к следующей операции, перемещение всего робота в реальном физическом мире (цех завода, дно океана, космическая станция и т. п.), обход препятствий. В связи

сэтим роботу необходимо иметь информацию о геометрических характеристиках объектов, необходимых для их распознавания; о положении объектов и рук в пространстве; об усилиях, возникающих в звеньях рабочих органов робота, и о параметрах движения звеньев рабочих органов.

Информационные системы роботов представляют собой устройства сбора и обработки информации. Рассмотрим некоторые общие требования, которые должны предъявляться к этим устройствам. Информация, получаемая от датчиков, должна быть экономичной

сточки зрения загрузки вычислительной машины, поскольку, с одной стороны, одна ЭВМ может обслуживать одновременно несколько роботов, с другой стороны, ЭВМ может быть установлена на самом роботе. В то же время объем информации от датчиков должен обеспечивать некоторую избыточность, необходимую для надежной работы робота. Тогда при выходе из строя отдельного датчика или даже целой группы датчиков робот сможет продолжать целесообразную деятельность, правда, за счет времени, точности и т. п.

Аппаратура преобразования сигналов устройств сбора информации в большинстве случаев находится на некотором удалении от чувствительных элементов. Это обстоятельство налагает определенные требования на величину выходного сигнала и кабель связи. В простейшем случае передача сигналов с датчиков, расположенных на рабочих органах робота, осуществляется при помощи гибкого многожильного кабеля, проходящего через подвижные сочленения рук и ног робота. Поэтому целесообразно предусмотреть возможность использования для этих целей датчиков бесконтактного типа или же передавать информацию через несколько каналов (жил кабеля). Остальные требования во многом зависят от области использования роботов-манипуляторов [16–18].

145

Устройства сбора информации можно разбить на два класса.

1. Устройства сбора информации о состоянии рабочих органов.

Основными параметрами движения робота-манипулятора являются линейные и угловые перемещения звеньев рук и ног робота в пространстве. Соответствующие скорости и ускорение звеньев легко определяются путем последовательного дифференцирования.

Рассмотримдатчикиугловыхилинейныхперемещений,которые могут быть использованы в информационных системах роботов.

Для измерения угловых перемещений чаще всего применяются потенциометрические датчики, преобразующие угол поворота в напряжение. Точность прецизионных потенциометров может достигать 0,01–0,05%, разрешающая способность – 0,05–0,01%. С повышением разрешающей способности потенциометра, как правило, увеличиваются его габариты, которые для большинства прецизионных потенциометров колеблются в следующих пределах: диаметр 60–150 мм, высота 50–90 мм. Малые габариты и очень высокую разрешающую способность имеют многооборотные спиральные потенциометры [16].

Основные недостатки потенциометрических датчиков заключаются в износе проволоки и щетки, ограниченной разрешающей способности и низкой чувствительности по напряжению. От этих недостатков свободны трансформаторные преобразователи угловых перемещений. Наибольшее распространение имеют вращающиеся трансформаторы и сельсины, позволяющие получать напряжения переменного тока, пропорциональные тригонометрическим функциям угла поворота или самому углу. Следует отметить, что однозначная зависимость выходного напряжения у них в функции угла поворота ограничена интервалом 0–п. Недостатком трансформаторных преобразователей является сравнительно низкая точность воспроизведения функции угла поворота, не превышающая в большинстве случаев 0,1–0,2%.

Для измерения линейных перемещений можно использовать как потенциометрические, так и индуктивные датчики. Использование индуктивных датчиков для непосредственного измерения перемещения возможно только при движении подвижного звена в пределах 80– 100 мм [17]. Для повышения точности измерения обычно применяют датчики дифференциального типа с двумя катушками. Основной недостаток этих датчиков заключается в нелинейности их характеристик, что и затрудняет их использование для измерения значительных перемещений.

146

И, наконец, для измерения линейных и угловых перемещений можно использовать счетные датчики, т. е. датчики, у которых выходная величина представляется числом импульсов. В тех случаях, когда требуется различать направление изменения измеряемой величины, применяют двухфазную систему воспринимающих элементов. Рассмотрим схему (рис. 3.9) фотоэлектрического преобразователя с зубчатым диском и двумя фотодиодами, сдвинутыми один относительно другого на четверть зубцового деления. При вращении диска вправо выходной сигнал левого фотодиода опережает выходной сигнал правого; при вращении влево – наоборот. Это дает возможность, используя логические цепи, различать импульсы, соответствующие увеличению и уменьшению угла поворота. Счетчик импульсов при этом должен быть реверсивным. Полупроводниковые тензосопротивления могут иметь как положительный, так и отрицательный коэффициент тензочувствительности, т. е. при деформации их сопротивление может и увеличиваться, и уменьшаться. К их недостаткам следует отнести изменение коэффициента тензочувствительности в зависимости от уровня деформации, температуры, удельного сопротивления материала.

Рис. 3.9. Блок-схема фотометрического счетного датчика: 1 – источник света; 2, 3 – фотодиоды; 4, 5 – усилители; 6, 7 – триггеры; 8, 9 – ключи

147

2. Устройства сбора информации о состоянии внешней сре-

ды. К первой группе датчиков, которыми должны быть снабжены роботы-манипуляторы, относятся тактильные датчики. Их отличительной чертой является то, что в процессе работы к ним могут быть приложены значительные статические и динамические нагрузки. В то же время для обеспечения осторожной работы с объектами зачастую требуется измерение малых усилий. Наибольшее распространение имеют два метода измерения усилий: 1) преобразование усилий в деформацию чувствительного элемента; 2) преобразование усилий в перемещение подвижной части чувствительного элемента. Исходя из требований большой перегрузочной способности и износоустойчивости рабочая поверхность датчика должна удовлетворять требованию высокой механической прочности.

Работу простейшей логической цепи (см. рис. 3.9) иллюстрируют кривые на рис. 3.10. Счетный датчик особенно удобен для ис-

ɹҾÆÁ¾ »Èɹ»Ç §Ê˹Æǻù ɹҾÆÁ¾ »Ä¾»Ç

Рис. 3.10. Временная диаграмма работы фотометрического счетного датчика (см. рис. 3.9)

148

пользования с цифровой ЭВМ, так как в этом случае отпадает необходимость в аналого-кодовом преобразователе.

Наряду с измерением угловых и линейных перемещений часто необходимо иметь информацию о различного рода деформациях и механических напряжениях. Для измерения относительных деформаций в пределах 0,005–1,5% обычно используются проволочные тензометры на бумажной основе, а также фольговые и пленочные тензосопротивления. Тензосопротивления практически безынерционны и могут применяться в диапазоне частот от 0 до 100 кГц [16]. Рядом преимуществ перед подобными тензосопротивлениями обладают полупроводниковые тензодатчики: очень малые размеры (до 1 мм), высокая тензочувствительность (на 2 порядка выше, чем у проволочных тензометров), высокий уровень выходного сигнала.

Использование чувствительного элемента непосредственно в качестве рабочей поверхности (например, для измерения локальных усилий) в принципе возможно для некоторых типов преобразователей (магнитоупругих, кристаллических полупроводниковых, проводящей резины и др.). Однако механические свойства материалов всех этих чувствительных элементов (кроме магнитоупругих) допускают такое использование только в самых благоприятных случаях – для работ с малыми нагрузками. Магнитоупругие преобразователи могут быть использованы только для измерения значительных усилий (не менее 108 Па), поэтому применение их в качестве тактильных датчиков не рассматривается.

Часто оказывается, что площадь приложения внешнего усилия меньше площади рабочей поверхности отдельного датчика. В этих случаях измеренная величина не должна зависеть от точки приложения усилия. Это определяет требования к конструкции датчика.

Одна из возможных конструкций тактильного датчика с жесткой рабочей поверхностью представляет собой металлическую пластину 1, свободно подвешенную на плоских пружинах 4 (рис. 3.11). Отсутствие трения в направляющих (для малых усилий) и возможность плавной регулировки 3 натяжения пружины позволяют измерять малые усилия. В то же время, благодаря упорам 2 датчик может выдерживать значительные перегрузки, в том числе и направленные вдоль рабочей поверхности. Чувствительные элементы (на рисунке не показаны) располагаются в нескольких точках (четырех и более) по периметру рабочей поверхности. Благодаря этому суммарный сигнал практически не зависит от места приложения усилия.

149

'

Рис. 3.11. Тактильный датчик

Рассмотрим некоторые типы преобразователей и возможность их использования для создания тактильных датчиков. Простейшим датчиком является контактный, т. е. датчик, в котором механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов. Контакты являются наиболее ответственной частью датчика. Материал, конструкция, режим их работы определяют как надежность, так и стабильность работы датчика во времени. Выбор материала контактов определяется прежде всего контактным усилием, значение которого колеблется в широких пределах: 0,001 – 0,02 Н (для высокочувствительных маломощных контактных преобразователей). Для большинства обычных материалов контактов оптимальное усилие составляет 0,03 Н. Следует обращать особое внимание на износоустойчивость контактов. Наиболее стойкими по отношению к коррозии являются контакты из золота и платины, которые могут применяться при малых контактных усилиях (0,01 – 0,02 Н), но их твердость и, соответственно, износоустойчивость невелики. Наиболее распространенным материалом для маломощных контактов является серебро. Под действием электрической искры серебряные контакты покрываются оксидной пленкой, которая электропроводна и легко разрушается при усилиях 0,05–1 Н.

Контактные датчики могут использоваться в качестве тактильных в нормальных атмосферных условиях. Их недостатки: невозможно использовать в химически активной среде и под водой: необходимо периодически проверять работоспособность контактов и чистить их.

Датчики с магнитоуправляемыми контактами свободны от перечисленных недостатков. Магнитоуправляемый контакт пред-

150