Классификация роботов

 

Так же как и с понятием «робот» в отношении классификации роботов не существует однозначного общепринятого мнения, из-за чего в разных изданиях, а также интернет-ресурсах, посвященных робототехнике, можно встретить различающуюся классификацию автоматизированных машин. Связано это с тем, что по мере развития робототехнического направления промышленности видоизменяются сами машины, их функциональная нагрузка постоянно увеличивается и неизбежен регулярный пересмотр их разновидностей. В данный момент наиболее целесообразно разбиение всех видов роботов на группы по трем признакам: тип выполняемой работы или решаемой задачи, степень мобильности, тип системы управления. Рассмотрим подробнее каждый из них.

 

Тип выполняемой работы.

По этому признаку можно выделить 8 разновидностей машин:

1.промышленные

2. строительные

3. сельскохозяйственные

4. транспортные

5. бытовые

6. боевые

7. охранные

8. исследовательские

Промышленные роботы предназначены для автоматизации всевозможных технологических операций (например сварка, штамповка, металлообработка, сборка готовых изделий и т.д.) на производстве какой либо продукции. Применяются практически во всех отраслях промышленности (машиностроение, приборостроение, нефтехимическая, металлургическая, атомная, автомобильная, авиационная и др.).

Строительные роботы позволяют аналогичным образом автоматизировать огромное количество различных операций, выполняемых в процессе ремонта помещений или строительства новых объектов. Учитывая мировые объемы строительства и неуклонный рост населения планеты Роботизация строительства сейчас весьма актуальна.

Сельскохозяйственные роботы предназначены для выполнения трудоемких и монотонных процессов в сельском хозяйстве. В настоящее время ведется интенсивная разработка таких роботов, и даже есть примеры их использования, например, в Японии.

Транспортные роботы используются, как следует из наименования для автоматического перемещения грузов, либо автономного управления различными транспортными средствами. Транспортными роботами являются самоходные тележки, автопилоты и т.д.

Бытовые роботы. Данный тип роботов применяется в быту и офисах. Ярким примером бытовой автоматизированной машины является набравший приличную популярность робот-пылесос. К бытовым роботам также можно отнести коммуникативных роботов, обеспечивающих эффект присутствия удаленных друг от друга людей, либо способных самостоятельно вести диалог с человеком, и, конечно, многочисленные робоигрушки, предназначенные для развлечений и образовательных в области робототехники целей. В перспективе ожидается появление и более функциональных систем, умеющих выполнять online casino более сложные домашние обязанности такие как: мытье посуды, стирка грязного белья, приготовление пищи и т. п.

Боевые (военные) роботы призваны вывести вооруженные конфликты на качественно иной уровень и предназначены для минимизации непосредственного участия человека в боевых действиях с целью сокращения или исключения вовсе людских потерь, а также для работы в условиях, несовместимых с возможностями человека в военных целях. Разновидностей боевых роботов столько же, сколько и боевых задач для войсковых подразделений: беспилотные с дистанционным управлением самолеты (вертолеты) — разведчики, подводные аппараты и надводные корабли, роботы-минеры, роботы-саперы, роботы-патрульные, роботы для переноски военной амуниции. В силу сложности поставленных перед ними задач современные боевые роботы управляются оператором, но ведутся разработки полностью автономных боевых роботов с искусственным интеллектом, способным принимать решать, однако что не может не вызывать, многочисленные споры сторонников и противников данных машин на правовом поле в части определения ответственности за действия боевых роботов и их последствия.

Перед охранными роботами ставятся задачи по защите вверенных территорий или помещений. В простейшем случае указанные роботы выполняют патрулирование охраняемых периметров и в случае фиксации проникновения злоумышленников сигнализируют об этом дежурным операторам. В последнее время появляется тенденция к оснащению робо-охранников нелетальными видами оружия.

Исследовательские роботы используются для сбора всевозможных видов информации об исследуемых объектах, ее переработки и передаче оператору. Объектами могут быть самыми разнообразными: поверхности планет, подводное пространство, подземные шахты, пещеры, полости эксплуатируемых трубопроводов, зараженная местность и другие труднодоступные для человека области.

 

Автоматические манипуляционные роботы возникли и развились из систем программного управления станками. Процесс управления их действиями может происходить с участием и без непосредствен­ного участия человека. Манипуляционный робот состоит из манипулятора, исполнительных устройств, устройств очувствления, устройств связи с оператором и ЭВМ. Манипулятор имитирует движения руки человека и представляет собой многозвенный разомкнутый механизм с одноподвижными вращательными и поступательными кинематическими парами. Чис­ло степеней подвижности манипуляторов изменяется в пределах от 3 до 10. Функцию кисти в манипуляторе выполняет так называемый схват, конструкция которого предусматривает выполнение опера­ций с определенным типом объектов манипулирования. Информационная система предназначена для сбора информации о состоя­нии внешней среды. В качестве ее элементов используются телевизи­онные, ультразвуковые, тактильные и другие датчики. Управля­ющая система служит для выработки законов управления привода­ми исполнительных органов на основании созданных алгоритмов и собранной информации. В автоматических манипуляционных роботах можно выделить три разновидности в зависимости от связи с человеком-оператором: программные, адаптивные и интеллектуальные. Программные роботы работают по жесткой программе, зало­женной в устройстве памяти, однако их можно перенастраивать на работу с другой жесткой программой действий. Их также называют автоматическими программными манипуляторами или промыш­ленными роботами. Простота изменения программы, т. е. возмож­ность переобучения промышленных роботов новым операциям, сделала эти роботы достаточно универсальными и гибко перенаст­раиваемыми на различные классы задач. Адаптивные роботы отличаются от программных большим ко­личеством внешних (оптических, телевизионных, тактильных) и внутренних датчиков. Системы управления роботами этого типа более сложные, не ограничиваются только работой по жесткой программе движения и могут в зависимости от внешних условий несколько корректировать ее. Как правило, они требуют для своей реализаций управляющую ЭВМ. Важной частью адаптивных роботов является их развитое программное обеспечение, предназначенное для об­работки информации, поступающей от внешних и внутренних дат­чиков и оперативного изменения программы движения. Благодаря способности воспринимать изменения во внешней среде и приспосабливаться к существующим условиям функционирования адаптив­ные роботы могут манипулировать с неориентированными деталя­ми произвольной формы и производить сборочные операции. Характерной особенностью интеллектуальных роботов является их способность вести диалог с человеком, распознавать и анализи­ровать сложные ситуации, планировать движения манипулятора и осуществлять их реализацию в условиях ограниченной инфор­мации о внешней среде. Все это обеспечивается совершенством управляющих систем, включающих в себя элементы искусственного интеллекта, способность к обучению и адаптации в процессе ра­боты. Биотехнические манипуляционные роботы берут свое начало от копирующих и командных механических систем. Операции, которые могут выполнять роботы этого типа, являются менее определен­ными, чем технологические операции, осуществляемые автомати­ческими роботами. Широкое распространение они получили при работе с радиоактивными материалами. Управление манипуляторами этого типа роботов осуществляет­ся оператором, а ЭВМ используется для облегчения его работы. Различают три разновидности управления биотехническими манипуляционными роботами: копирующее, командное и полуавтома­тическое. Копирующее управление осуществляется с помощью за­дающего устройства, кинематически подобного исполнительной ру­ке робота. Такие системы называют копирующими манипулятора­ми. Человек-оператор перемещает задающее устройство, а манипу­лятор повторяет эти движения одновременно по всем степеням подвижности. В случае командного управления оператор с команд­ного устройства дистанционно задает движение звеньям манипуля­тора путем поочередного включения соответствующих приводов. При полуавтоматическом управлении оператор, манипулируя упра­вляющей рукояткой, имеющей несколько степеней свободы, задает движение схвата манипулятора. ЭВМ по сигналу от управляющей рукоятки формирует сигналы управления на приводы всех звеньев манипулятора. Существуют также биотехнические системы, в кото­рых управление манипулятором осуществляется при помощи био­импульсов от соответствующих мышц человеческой руки. Интерактивные манипуляционные роботы отличаются активным участием человека в процессе управления, которое выражается в различных формах взаимодействия его с ЭВМ. Здесь также раз­личают три разновидности управления: автоматизированное, супервизорное и диалоговое. При автоматизированном управлении простые операции робот выполняет без управляющего воздействия со стороны оператора, а остальные - при участии оператора в биотехническом режиме. Супервизорное управление отличается тем, что весь цикл операций разбивается на части, выполняемые манипуляционным роботом автоматически, но переход от одной части к другой осуществляется оператором путем подачи соответствующих команд. При диалого­вом управлении оператору и ЭВМ представляется возможность совместно принимать решения и управлять манипулятором в слож­ных ситуациях.

 

Системы передвижения мобильных роботов

Системы передвижения роботов относятся к их исполнительным системам наряду с манипуляционными системами. В современных мобильных роботах нашли применение практически все известные транспортные средства. Кроме того, предметом робототехники являются различные бионические способы передвижения (локомоций), заимствованные у живой природы и не освоенные ещё в технике. К ним, прежде всего, относится шагание. Основной специфической частью всех систем передвижения являются движители, преобразующие усилие от двигателей приводов в усилие, движущее систему передвижения.

Типы мобильности

Можно выделить четыре принципиально различных типа мобильных роботов - наземные, воздухоплавающие, водоплавающие, подземные и космические.

Наземные мобильные роботы обычно подразделяются на три больших класса: колесные наземные мобильные роботы, шагающие наземные мобильные роботы и гибридные наземные мобильные роботы. Помимо этих трех наиболее многочисленных классов мобильных роботов существует большое количество специализированных мобильных роботов, ориентированных на ограниченное применение.

К их числу относятся рельсовые роботы, адсорбционные роботы (способные передвигаться по крутым участкам, цепляясь за поверхность с помощью вакуумных присосок), роботы на магнитной или воздушной подушке, а также не попадающие ни в одну из перечисленных групп ползающие роботы. Мобильные роботы, предназначенные для выполнения только транспортных операций по перевозке грузов, - робокары - часто не имеют манипуляторов, а снабжены упрощенными одно- и двухстепенными погрузо-разгрузочными устройствами. Последние операции могут выполняться стационарными манипуляторами, находящимися в местах остановки транспортных роботов.

Среди множества разнообразных типов мобильных роботов в настоящее время наибольший практический интерес вызывают колесные наземные мобильные роботы. Предложено большое количество принципов классификации колесных наземных мобильных роботов: Если воспользоваться классификацией по способу управления работой колес, то можно выделить следующие три группы колесных роботов: автомобильная группа (поворот осуществляется только за счет передних колес); группа с произвольным независимым управлением поворотом каждого колеса влево или вправо (например, кресло-каталка); группа роботов, способных перемещаться во всевозможных направлениях. Большинство применяемых на практике колесных мобильных роботов относится ко второй группе, т.е. данный метод управления оказывается наиболее важным. Что касается роботов, колеса которых могут поворачиваться в любую сторону, то они пока находятся на стадии экспериментальных исследований и опытных испытаний.

Среди шагающих мобильных наземных роботов практический интерес представляют конструкции с разным числом конечностей - от многоногих шагающих аппаратов, напоминающих сороконожку, до роботов с 8, 6, 5, 4, 3 и 2 конечностями. Кроме того, в исследовательских центрах и научных лабораториях изучаются принципы создания безногих мобильных аппаратов, способных перемещаться подобно змеям или морским моллюскам. На практике потребность в шагающих аппаратах возникает в связи с необходимостью использования роботов для передвижения по местности с большим количеством препятствий или неровностей, а также так, где от него требуется умение взбираться и спускаться по ступенькам обычной лестницы.

Сенсорные системы робота

Анализ сенсорных систем человека представляет интерес для создателя робота, так как он может встретиться с необходимостью как можно более полно воспроизвести их функции в роботе. Это бывает необходимо, например, в тех случаях, когда непосредственно на робот возлагается решение задач, которые обычно решает человек.

Осязанию человека соответствуют четыре отчетливых ощущения, и кожа человека содержит, по-видимому, отдельные рецепторы для каждого из них. Ими являются ощущения холода, тепла, боли и давления. Чувствительность различных участков кожи к этим ощущениям различна, и поверхностная плотность распределения различных типов рецепторов в различных частях тела не одинакова.

Осязание, по-видимому, должно быть важнейшей функцией для робота.

Ощущение холода и тепла не имеет такого значения для сохранения жизни робота, как для животного, хотя оно и может играть важнейшую роль, если на робот возложить, например, задачу поддержания в допустимых пределах жизненно важных для человека параметров.

На первый взгляд может показаться, что болевое ощущение совершенно не нужно роботу. Однако способность, эквивалентная восприятию боли у человека, может быть весьма ценной, если она предупреждает робот о перегрузке или иной опасности. Это особенно важно, когда подобная способность робота может защитить человека от болевых ощущений.

Восприятие давления является функцией, без которой робот не может обойтись. Эта функция может вводиться в робот различными методами, стандартизация которых вряд ли возможна, поскольку они отличаются друг от друга в зависимости от назначения робота.

 

Рефлекторное действие робота:

Основной задачей рефлекторной деятельности человека и животного является самосохранение. Желательно наделить робот подобной рефлекторной способностью, обеспечивающей его жизнеспособность. Например, тепловые датчики в кисти руки робота, быстро срабатывая могут воздействовать непосредственно на конечностно-двигательную систему. Это позволит при необходимости включить рефлекс отвода конечности и обеспечить ее защиту от повреждения. Для такого рефлекторного действия нет необходимости использовать путь, проходящий через всю нервную систему, ибо для защиты необходима быстрая реакция. Было показано, что рефлекторную деятельность такого рода можно наделить способностью к ассоциированию в центральной нервной системе робота с другими, нерефлекторными входами центральной нервной системы.

Тем не менее на рефлекторную деятельность робота накладывается важное ограничение, которого нет в организме животного. Согласно гипотетическим Законам робототехники, необходимо предусмотреть, чтобы рефлекторные действия роботов не причиняли вреда человеку. Пусть уж лучше рефлекторное действие нанесет повреждение роботу, чем человеку. В некоторых случаях это пожелание будет нелегко осуществить.

Следует отметить, что применение средств, обеспечивающих быстрый отвод конечностей робота, затрудняет использование устройств, экономящих энергию батарей питания, например червячной передачи, которая позволяет сохранять усилие сжатия без расходования энергии.

 

Усиление контраста:

Исследования показывают, что нервная система человека и животного способна различными путями усиливать эффект изменения раздражения относительно некоторого постоянного раздражителя. Например, внезапное изменение времени раздражения рецепторной клетки сопровождается усилением нервной активности, в частности резким возрастанием частоты нервных импульсов. Однако, если в дальнейшем раздражение остается неизменным, нервная активность понижается.

Одним из видов подобного усиления является усиление контраста во времени. Аналогичным образом происходит, по-видимому, пространственное усиление контраста в тех частях нервной системы, которые воспринимают пространственную активность. Так, сетчатка глаза, вероятно, более чувствительна к краям объекта, чем к его поверхностям, и к внезапным переменам в освещении, чем к ровному комнатному освещению.

Нервная система вообще реагирует только на изменения в раздражении. При изменениях раздражения во времени наблюдается эффект, очень напоминающий то, что происходит в схемах опережения по фазе, применяемых в технических системах управления.

 

Обнаружение газа и влаги:

В настоящее время неизвестно, как воспроизвести человеческое обоняние техническими средствами. Однако некоторые газы можно обнаруживать. Так, при соприкосновении сгораемой смеси газа и воздуха с некоторыми катализаторами, например платиной или палладием, выделяется тепло и изменяется электрическое сопротивление катализатора, что можно обнаруживать прямым измерением. Подобные детекторы, безусловно, очень важны для предотвращения пожара и взрыва. Кислород можно обнаруживать, используя его парамагнитные свойства, а некоторые газы — используя их теплопроводность, в устройстве, называемом термокондуктометрическим детектором. Для обнаружения различных газов можно использовать также инфракрасное поглощение. Водяные пары обнаруживаются гигрометрами различных типов. Тем не менее ни один из этих методов не является идеальным для применения в роботе общего назначения. Можно лишь надеяться, что будущие исследования приведут к появлению более совершенных детекторов запаха.

Человеческий вкус также является ощущением, которое мы еще не можем воспроизвести. Лучше всего использовать для этих целей измерители рН, однако еще не существует метода, пригодного для широкого применения в роботе.

Человек способен ощущать и воспринимать четыре основных вкусовых качества (сладкое, горькое, кислое и соленое), которыми в разной степени наделены различные вещества.

Наибольший объем вкусовой и обонятельной информации поступает при небольшой вероятности конкретного вкусового качества или запаха. Хорошо замечается то, что незнакомо.

Райт считает, что нервная система животного обнаруживает запахи, улавливая колебания молекул в дальней инфракрасной области.

Газы обладают способностью изменять цвет различных химических веществ, что часто используется в. газовом анализе. Можно взять пробирки, содержащие различные реактивы, и при помощи цилиндра и поршня, приводимого в движение рукой, пропускать через них газ. Подобный метод можно было бы применить и в роботе. Правда, для робота было бы удобнее использовать самовосстанавливающиеся реактивы, что позволило бы избежать необходимости в замене пробирки после каждого опыта. Следует, однако, напомнить, что у животных нервные окончания, предназначенные для обнаружения запаха, по-видимому, быстро погибают и очень часто обновляются.

В Японии разработано газоулавливающее устройство «Тагучи гэс сенсор», изготовленное из оксидированных металлов, таких как окись олова, окись цинка и полуторная окись железа. В этом устройстве производится очень значительное, хотя и обратимое, уменьшение электрического сопротивления при соприкосновении с газами-восстановителями: водородом, окисью углерода, метаном, пропаном, спиртом, эфирным маслом и ацетиленом.

Твердотельная технология позволила изготовить кислородный анализатор, который может применяться, например, для определения концентрации кислорода в топочных газах и, следовательно, для контроля интенсивности горения. Прибор содержит стабилизированный циркониевый элемент, работающий при температуре 850° С и генерирующий напряжение, которое изменяется по логарифмическому закону в зависимости от разности между парциальными давлениями кислорода и контрольного источника. Как сообщалось, точность этого прибора ±0,1%, время срабатывания 0,2 с в диапазоне температур 10— 760° С, выходной сигнал 4—20 мА (или 1—5 В).

Для восприятия влажности применяются различные элементы, в том числе хлористо-литиевые (датчик «Данмор»), углеродные, элементы на базе полиэлектролитного сопротивления, керамические элементы, емкостные устройства и элементы на базе окиси алюминия. Все они в той или иной степени нестабильны благодаря ионному загрязнению, растворимости в воде, поляризации, химическому и механическому разрушению. Тома использовал гибкую ленту, выполненную из пятислойной пленки бутирата ацетил целлюлозы, который как стало известно, дает высокую чувствительность при химической и механической стабильности. Это химическое вещество используется в качестве элемента в среде тщательно очищенной двуокиси углерода, а для повышения чувствительности элемент подвергается воздействию водного раствора едкого натра. В результате достигаются сопротивление около 2500 Ом и работоспособность при относительной влажности 10—90% с постоянной времени свыше 100 с. При этом сопротивление почти не зависит от напряжения и температуры. Весьма вероятно, что подобные разработки можно будет использовать в робототехнике.

 

Регулирование температуры:

Температура оказывает воздействие на механизм управления всеми системами животного. Внутренняя температура хладнокровного (пойкилотермного) существа изменяется вместе с изменением окружающей температуры, и поэтому уровень активности его организма до некоторой степени ограничен окружающими условиями.

Теплокровные животные, напротив, наделены автоматической системой терморегулярии, которая поддерживает внутреннюю температуру животного на более или менее постоянном уровне. Минимально допустимая температура тела равна приблизительно 37° С; ниже этой границы ферментная активность организма значительно падает. С другой стороны, температура, превышающая приблизительно 41° С, влечет необратимые изменения в клетках центральной нервной системы. Из этого следует, что температура тела нуждается в довольно жестком регулировании.

К счастью, роботу совсем не нужны те многочисленные средства, которые живые организмы приобрели в процессе эволюции для терморегуляции. Правда, некоторое регулирование температуры необходимо, но требования при этом не очень жестки. Так, есть полупроводники, которые работают в диапазоне температур окружающей среды от —50 до +150° С. Нередко возникает потребность в системе охлаждения, поскольку все электрические и электронные схемы управления выделяют тепловую энергию. Подобные случаи часто встречаются при использовании компактного оборудования, например интегральных электронных схем. Однако из-за отсутствия жестких температурных ограничений потребность в сложных системах терморегулирования возникает редко; обычно вполне достаточно иметь системы охлаждения, использующие конвекционные потоки в окружающем воздухе.

Следует отметить, что терморегуляция в организме животного определяется тем, что он на 70% состоит из воды. Благодаря этому изменение температуры внешней среды значительно меньше влияет на температуру тела, чем было бы при любом ином составе. Скрытая теплота замерзания воды имеет одно из самых высоких значений, за счет чего она регулирует температуру Земли, поскольку нагревание уменьшает, а охлаждение увеличивает ее ледяной покров. Подобным образом поддерживается постоянство температуры электронных компонентов, например кварцевых кристаллов. Скрытая теплота парообразования воды также относительно велика, и это обстоятельство используется в системах охлаждения за счет испарения воды. Точка замерзания воды приблизительно на 100° С выше критической температуры многих часто встречающихся газов. Из сказанного ясно, что наличие воды в организме животного является очень полезным фактором. К сожалению, робот, содержащий в себе большое количество воды, оказался бы слишком тяжелым, что было бы серьезным недостатком.

В некоторых случаях робот придется наделить способностью к измерению уровня температуры либо внутри себя самого, либо в окружающей среде. Для этого можно использовать любой из хорошо известных методов электрического определения температуры. Так, при необходимости точных измерений можно использовать термосопротивления, хотя они дают недостаточно большой выходной сигнал.

Полупроводниковые приборы чрезвычайно чувствительны к изменению температуры. Например, широко используются термисторы, изготовленные из окислов различных металлов [13—15, 43]. Одним из недостатков ряда термисторов является их высокая тепловая инерционность. Этот недостаток преодолевается применением термисторов очень малых размеров. Совсем недавно были изготовлены быстрореагирующие приборы на основе кремния.

Следует упомянуть об одном из наиболее оригинальных способов изготовления термостолбика, состоящего из множества последовательных термопарных соединений. Для этого используется константановая проволока, на которую наносятся полоски меди. Поскольку медь обладает лучшей проводимостью, в областях с медным покрытием большая часть тока проходит через медь, хотя в других местах весь ток проходит через константан. Таким образом достигается эффект большого количества последовательных соединений в устройстве, которое оказалось очень удобным для определения теплового потока.

 

Датчики силовой обратной связи:

Часто бывает желательно, чтобы управляющая сервосистема вырабатывала сигнал обратной связи, соответствующий механическому усилию, развиваемому на выходе. Это особенно важно в тех случаях, когда пальцы робота должны захватывать разнообразные, иногда хрупкие, предметы.

Аналогичная проблема возникла при работе над протезными устройствами. Оказалось, что в настоящее время лучшим устройством для обеспечения сигнала обратной связи является, по-видимому, тензодатчик, построенный на кристаллах кремния, которые создают незначительный гистерезисный эффект.

Для типичного протезного устройства требуется сигнал порядка 2мВ/Н, который можно получить, используя мостик Уитстона, состоящий из двух тензодатчиков на кремнии р-типа проводимости, которые установлены на противоположных концах бруска, сделанного из мягкой стали и имеющего постоянный момент. Такое устройство работает на постоянном токе и дает линейное соотношение между создаваемой деформацией и выходным напряжением. При компоновке схемы следует предусмотреть возможность замены тензодатчиков в случае выхода их из строя, что нетрудно сделать. Кроме того, за счет небольшого смещения устройства в исходном положении обычно создается легкий прижим порядка 2 Н. Для защиты тела тензодатчика от чрезмерного растяжения можно установить переходное устройство. Если движение в позицию захватывания происходит на большой скорости, необходимо учитывать кинетическую энергию движения и прикладывать обратный момент для сокращения времени торможения.

В качестве гидростатического манометра можно использовать диод Зенера, что приведет, вероятно, к созданию малогабаритных устройств для применения в робототехнике.

В первых протезных устройствах механический контакт между гранулами проводящего вещества, например углерода, использовался для создания силовой обратной связи, например, в протезе кисти, где гранулы помещались под ее резиновую «кожу». Этот метод не требует больших затрат и хорошо испытан, поскольку базируется на принципе построения всем известного микрофона телефонной трубки. Кроме того, метод позволяет получить большую величину выходного напряжения, обычно 4—10 В. К сожалению, вряд ли данный метод достаточно надежен для применения в роботе общего назначения.

В одном из образцов искусственной кисти использовалось множество губчато-угольных накладок и кожа перчатки кисти также была подбита губчатой резиной, так что давление во всех точках передавалось на накладки. Накладки-датчики дают линейную реакцию в определенном диапазоне усилий, верхняя граница которого однако ограничена.

Желательно поместить датчики усилий в запястье кисти робота, с тем чтобы кисть по существу выполняла функции своеобразного весового прибора. Полученную информацию можно использовать для обеспечения движения руки, а также в аварийных ситуациях. Целесообразно предусмотреть также дополнительные датчики, которые обычно не подвергаются нажатию, но могут нажиматься человеком в аварийных условиях для снятия давления захвата.

В настоящее время испытывается потребность в новых типах силовых датчиков для применения в роботах и протезирования. Они должны обладать высоким уровнем выходного напряжения, быть прочными, нечувствительными к температурным изменениям и иметь небольшую массу. Возможным вариантом датчика, отвечающим некоторым из этих требований, является датчик с высокочувствительным пьезокристаллическим элементом, усилие к которому передается через жидкость, содержащуюся в той же оболочке, что и датчик.

Независимо от вида силовых датчиков обратной связи их необходимо наделить соответствующей фильтрующей способностью для устранения сигналов, зависящих от таких внешних факторов, как сильный шум и вибрация.

В некоторых протезных устройствах важно защитить систему управления от повреждения, которое может быть причинено ей при случайном выходе из строя тензодатчика. Для этого применяются как электрические, так и механические методы защиты, а в некоторых случаях сочетание обоих методов. В качестве предосторожности при попытке поднятия чрезмерного груза иногда используется автоматическое отключение приводного двигателя.

Датчики осязания у человека очень чувствительны и многочисленны, что позволяет использовать их для различения формы. Было бы очень желательно наделить подобной способностью робот, но в настоящее время эта задача представляется очень трудной из-за чрезмерных размеров имеющихся датчиков. Существует поэтому потребность в датчиках очень малых размеров и по возможности в интегральном исполнении, что позволит применять их в схемах, подобных тем, которые необходимы для сетчатки глаза робота. К счастью, столь тонкая различительная способность осязания потребуется, по-видимому, лишь в одной точке — на кончике единственного пальца робота. Что же касается сетчатки, то ее важной характеристикой будет способность к обнаружению краев.

 

Позиционная обратная связь:

Обеспечение точного и надежного измерения положения в сервосистемах всегда было трудной задачей, особенно там, где, как и в роботах, к оборудованию предъявляется требование минимальных размера и массы. Применение управления с замкнутым контуром регулирования значительно снижает требования, предъявляемые к точности. В той или иной форме такая обратная связь обычна для различных систем животного.

Существует множество различных видов датчиков положения, используемых в созданных человеком системах управления.

Для точного измерения положения, например, в автоматических механических измерительных приборах или станках-автоматах общепринят цифровой вид измерений. В этих целях используется множество различных методов, реализуемых устройствами, которые можно грубо разделить на две категории.

К первой категории относятся устройства, измеряющие абсолютное положение по отношению к постоянной точке отсчета. Вторая категория включает различные виды вычислительных устройств, которые суммируют небольшие равномерные приращения для получения абсолютной величины положения. Приборы первой категории дают большую погрешность при потере одной или более значащих цифр отсчета. Приборам второй категории свойственна постоянная потеря информации в случае пропуска даже нескольких приращений. Эти недостатки можно устранить путем частой подстройки нуля измерительного прибора, поскольку абсолютную достоверность никогда нельзя гарантировать.

Столь точные устройства для измерения положения, как правило, громоздки и дороги и поэтому непригодны для применения в роботах общего назначения. К счастью, при наличии у робота обратной связи за счет какого-либо «зрительного» устройства необходимость в абсолютной точности значительно уменьшается и заменяется необходимостью в точном сравнении положений.

Следует отметить, что, хотя человек и животные используют визуальную обратную связь, у них имеется в той или иной форме еще и внутренняя обратная связь, ибо в противном случае уменьшилась бы точность позиционирования при закрытых глазах или у слепых. Существует мнение, что обратная связь в нервной системе не является частью контура управления по положению, а определяет, возможно, конкретное соотношение между напряженностью и длиной мышцы.

Метод точной индикации положения, предложенный автором, основан на вращении стального сегмента для электромагнитного индуцирования импульсов в катушке и сравнения временных положений этих импульсов с временными положениями других, эталонных импульсов. При устранении температурного дрейфа за счет правильного монтажа этот метод может обеспечить высокую точность. Чтобы избежать необходимости использования вращающихся деталей, автор применил линейно перемещающееся поле, создаваемое многофазной обмоткой добиться из-за большой скорости изменения магнитного сопротивления.

Значение данного метода состоит в том, что его можно применять либо для измерения положения, либо для измерения скорости и что при тщательности разработки можно добиться почти полной независимости измерений от условий окружающей среды. Необходимая для реализации метода электронная схема может быть выполнена очень небольшой и легкой при использовании интегральных компонентов. Этот метод автор применил в одной из ранних работ (1953 г.) по электронному взвешиванию, но смог его опубликовать лишь значительно позже. Он применяется также в тахометрии — в устройствах, производимых в настоящее время серийно.