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.
|
|
Читайте в рубрике «Робототехника»: |
Военная техника | Телекоммуникации | Электроника | Энергетика | Физика | Химия | Биология | Математика | Психология | Физиология | Экономика | Металлургия | Строительство | Сельское хозяйство | Медицина | Культура и искусство | Виды двигателей | Машины и механизмы | Воздушный транспорт | Водный транспорт | Автотранспорт | Ж/д транспорт | Физики | Химики | Математики | Биологи | Европейские изобретатели | Американские изобретатели | Российские изобретатели | Советские изобретатели | Методология науки | Развитие креативности | Как стать изобретателем | Изобретения будущего