Создание ВЕАМ-роботов как элемент технического творчества бакалавров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание ВЕАМ-роботов как элемент технического творчества бакалавров

В.М. Дружинин, О.М. Алтыбаев

Аннотация

УДК 621.311

Создание ВЕАМ-роботов как элемент технического творчества бакалавров

В.М. Дружинин, О.М. Алтыбаев, Карагандинский государственный индустриальный университет, г. Темиртау, Казахстан

Статья посвящена идее создания ВЕАМ-роботов как элементу технического творчества бакалавров. В статье раскрывается история развития робототехники с древнейших времен до наших дней. В процессе исследования было осуществлено физическое моделирование трех разновидностей ВЕАМ роботов. ВЕАМ-роботы относятся к сфере поведенчески ориентированных роботов. Воспроизведение ВЕАМ-роботов позволяет закрепить полученный на занятиях материал и получить навыки работы с элементами микросхемотехники.

Ключевые слова: робототехника, робот, ВЕАМ-роботы, моделирование, электроника

Андапта

Бакалаврларды? техникалы? шы?армашылы? элементі ретінде В.Е.А.М. роботтарын ??ру

Ма?ала бакалаврларды? техникалы? шы?армашылы?ыны? элементі ретінде BEAM роботтарын жасау идеясына негізделген. Ма?алада ежелден бастап осы к?нге дейін робототехниканы? даму тарихы жайында к?рсетілген. Зерттеу ?рдісінде BEAM роботтарды? ?ш т?ріні? физикалы? модельдеуі ж?ргізілді. BEAM роботтары мінез-??лы??а ба?ыттал?ан роботтарды? саласына жатады. BEAM роботтарын жасап шы?ару микросхематехника элементтерімен ж?мыс жасау барысында ал?ан да?дылары мен о?у ?рдісіндегі материалдарын бекітуге м?мкіндік береді.

Т?йін с?здер: роботты техника, робот, ВЕАМ-роботтары, модельдеу, электроника.

Abstract

Creating V.E.A.M. robots as a technical element of creativity bachelors

The article is devoted to the idea of creating BEAM robots as a technical element of creativity bachelors. The article reveals the history of the development of robotics from the earliest times to the present day. The study physical modeling of the three varieties of BEAM robots was carried out. BEAM robots belong to the sphere of behaviorally oriented robots. Play BEAM robots allows to fix the resulting material in the classroom and gain skills microcircuit elements.

Key words: robotics, robot, BEAM robots, simulation, electronics.

Содержание статьи

Развитие робототехники началось с давних времен, но с каждым годом все более новые модели создавались большим количеством ученых.

Исторические этапы в развитие робототехники связаны с большим количеством изобретений, которые сделали люди. История робототехники неотделима от истории развития науки и техники, но также и от истории создания компьютерных технологий.

История робототехники начинается в 3 тыс. до н.э. в Египте. Население Египта изобрели идею машины, которая думает. А выглядело это таким образом: внутри статуй прятались жрецы, которые давали различные предсказания и советы.

В середине 2 тыс. до н.э. стартует применение блоков. А в 9 веке до н.э. у Гомера в "Илиаде" говорится о "механических слугах". В 5 веке до н.э. Платон в своих работах показывает идеи, которые относятся к механике машин и человеческому мышлению. Отличный математик и философ по имени Архит из Тарентума, который являлся и другом Платона, создает конструкцию голубя из дерева, который мог осуществлять полет при помощи управления струей пара. Архиту античная традиция приписала и первый теоретический труд по механике [1].

В 4 веке до н.э. Аристотель создает раздел формальной логики в личном логическом своде "Органон" под названием силлогистику. Благодаря этим трудам произошло влияние на развитие и усовершенствование логической науки на территории всего мира. До 17 века в Европе логическая наука для своего развития брала за основу аристотелевское учение.

В 3 веке до н.э. осуществилась разработка Архимедом математической основы механики. Клавдий, являясь римским поэтом, говорит об автомате, который изготовил Архимед. Автомат был представлен в форме стеклянного шара, на котором имелись изображения небесного свода с воспроизведением движения всех небесных светил, которые были известны в то время. Движение шара осуществлялось при помощи воды.

Конструкцию водных часов осуществил Ктесибиус, который жил в Александрии и являлся греческим изобретателем и физиком. В часах располагались фигурки, которые двигались. До этого изобретения всем были известны только песочные часы. Ктесибиус создал зубчатую передачу.

Во 2 веке до н.э. в Китае разработали сложные автоматы, а также и целые механические оркестры.

В 1 веке до н.э. в книге Герона Александрийского под названием "Пневматика" говорится о некоторых автоматических механизмах. А в "Театре автоматов" имеется описание устройства целого театра, в котором фигурки-куклы при помощи зубчатых колес и блоков осуществляли движение. По заказу египетских жрецов Герон создал автомат для торговли "святой воды".

Много интересных открытий вложено в развитие робототехники с 820 года. Именно в этом году Аль-Хорезми в своей книге описывает понятие алгоритм, а также описывает десятичную систему счисления.

Арабский механик ал-Джазари в 1206 году в собственно написанной книге под названием "Книга о познании хитроумных механических приспособлений" говорит о принципах устройства различных автоматов.

В 13 веке произошло создание автомата, который мог воспроизводить голос человека, при помощи Альберта Великого. Ученый по алхимии Раймон Луллий изобрел машину, которая помогала находить неметаллические истины через различные комбинации. В Англии в это время Роджер Бэкон говорит о скором появлении "самодвижущихся повозок", подводных лодок и летательных аппаратов.

В 1456 году при помощи Иоганна Гуттенберга изобретается книгопечатание.

Леонардо да Винчи в 1495 году разработал детализированный проект механического человека, который может поворачивать головой и двигать руками. Если рассмотреть общий вид данного изобретенного механизма, то можно отметить его сходство с бронированным рыцарем. Кроме этого у Леонардо в дневниках есть наброски вычислительной машины, которая считает сумму десятичных чисел 13-разрядных и в ее механизме присутствуют зубчатые колеса. Эта машина считается первоначальным штрихом в истории вычислительной техники. В 1500 году Леонардо построил механического льва, который был установлен на въезде в Милане и который выдвигался при появлении короля Франции, а также лев когтями раздирал грудь и показывал французский герб [2].

Ганс Бульман в 1525 году в Нюрнберге построил первого настоящего андроида. Было несколько законченных механизмов, а также и андроиды, которые играли на музыкальных инструментах.

В 1533 году Иоганн Мюллер сделал искусственного орла и железную муху, которые поднимались в воздух. Считается, что два данных механизма имели паровую тягу.

Через семь лет Джинелло Ториано создал андроида, который имел вид женщины, играющей на лютне.

В 1543 году в Англии Джон Ди конструировал деревянного жука, который мог отлично летать.

В 1564 году Амбруаз Паре занимается издательством работ и в них он занимается описанием проекта механической руки. У данной механической руки имеется много сходств с настоящей человеческой рукой, а также у руки имеются механические мускулы.

В 1800 году Алессандро Вольта работал над созданием электрических батарей, и они были созданы [3].

В 1801 году был создан автоматический ткацкий станок при помощи Жозефа Мари Жаккард. Этим станком можно было управлять при помощи перфокарт. В перфокарте могут быть и могут отсутствовать отверстия, которые заставляют поднимать или опускать нить при хождении челнока и с помощью этого происходит запрограммированный рисунок. Этот станок считается первым, который является массовым промышленным устройством, которое работает автоматически по определенной программе.

В 1807 году Генри Модсли занялся усовершенствованием токарных станков и после этого сконструировал первую станочную линию.

В 1810 года Фридрих Кауфман занимался над конструированием механического трубача. В данной конструкции применяется шаговый программный барабан [4].

В 1811 году Нед Луд разбил ткацкий станок автоматического типа, так как он предполагал, что в нем все проблемы Англии. После этого начали объединяться банды, которые осуществляли нападения на фабрики и разбивали станки при помощи больших кувалд.

Мэри Шелли в 1818 году написал научно-фантастический роман под названием "Франкенштейн, или Современный Прометей". Это первый роман, в котором появились страшные идеи, которые включали использование электричества и с помощью него оживляли мертвой материи.

Майкл Фарадей в 1821 году рассказал о личном открытии электромагнитного вращения, а также он создал самые первые модели электрических двигателей [5].

В 1832 году русский дворянин по имени Семен Николаевич Корсаков, занимающийся мировой информатикой и изучением искусственного интеллекта, начал заниматься разработкой научных способов создания интеллектуальных устройств. Также он занимается публикацией описания 5 механических интеллектуальных машин, которые он создал самостоятельно. В состав машин входят ранее не используемые перфорированные карты. В его работах присутствует много интересных и новых идей, которые используются и на данный момент.

Аналитическую машину создал в 1833 году Чарльз Бэббидж. В проект были включены компоненты, которые сейчас существуют в современных компьютерах. Работу его машина осуществляла при помощи парового двигателя.

Как уже отмечалось, одним из пионеров в разработке поведенчески-ориентированного подхода ("снизу вверх") в робототехнике был Вильям Грей Вальтер.

В начале своей карьеры Вальтер заинтересовался работами русского физиолога И.П. Павлова, знаменитого своими исследованиями механизмов "стимул-реакция", проводимых на собаках. В своих экспериментах Павлов звонил в звонок непосредственно перед тем, как дать пищу подопытным собакам. Через некоторое время собаки реагировали слюноотделением на сам звонок.

Другой современник Вальтера Ганс Бергер изобрел электроэнцефалографический аппарат. Во время визита Вальтера в лабораторию Бергера он предложил некоторые усовершенствования электроэнцефалографа. После переделки чувствительность прибора возросла, и в человеческом мозгу были обнаружены электроэнцефалограф кривые с частотами ниже 10 Гц [6].

Изучение Вальтером работы человеческого мозга привело его к изучению нейронных сетей мозга. В силу их исключительной сложности биологические нейронные сети оказалась недоступными для точной топологической картины или воспроизводства. По этой причине он выбрал объектом изучения отдельный нейрон и его электрический аналог. Он стремился узнать, какой тип поведения может быть получен в системе, состоящей из нескольких нейронов.

Для ответа на этот вопрос в 1948 году Вальтер построил трехколесный робот, имеющий вид черепахи. Размеры робота составляли 12" в высоту и около 18" в длину. Что оказалось удивительным - этот робот использовал только два электрических нейрона и при этом демонстрировал достаточно сложное и интересное поведение. Первые два робота были нежно названы Элмер и Элси (ЭЛектро МЕханический Робот и Electro Sensitive (Светочувствительный)). После наблюдений за сложным типом поведения, который демонстрировали роботы, Вальтер переименовал их в Machina Speculatrix (рассуждающая машина).

Помните, что в 40-годы транзистор еще не был изобретен, поэтому в электронных нейронах робота были использованы электронные лампы. Поскольку электронные лампы потребляют значительно большую мощность, чем транзисторы, оригинальная конструкция содержала аккумуляторы большого размера.

Нервная система или система рефлексов робота состояла из двух датчиков, соединенных с двумя нейронами. Один из датчиков представлял собой фотосопротивление, а другой - контактный выключатель, соединенный с внешней оболочкой робота.

Три колеса робота были расположены в виде треугольника. Переднее направляющее колесо было снабжено рулевым приводом и при этом могло вращаться на 360° в одном направлении. Кроме того, с этим же колесом был соединен ходовой двигатель, обеспечивающий поступательное движение робота. Поскольку рулевой механизм мог поворачиваться на полные 360°, питание ходового двигателя осуществлялось через два контактных кольца, установленных на оси привода. Фоторезистор был также закреплен на оси привода рулевого механизма колеса. Это позволило автоматически совместить ось "взгляда" фоторезистора и направление движения робота.

BEAM-роботы представляют целую школу в робототехнике. Концепция BEAM-роботов была предложена Марком Тиленом (Mark W. Tilden) и состоит в том, что реакция на внешние факторы должна обеспечиваться на первом этапе самой машиной, без участия какого-либо "мозга", как это происходило и в живой природе, на пути от простейших к человеку. По этому же пути должно идти совершенствование и создание более сложных систем, своего рода "робогенетика" через "робобиологию" [7].

B.E.A.M. - это сокращение от английских слов Biology (Биология), Electronics (Электроника), Aesthetics (Эстетика) and Mechanics (Механика):

1) Биология - мир вокруг нас после миллиардов лет эволюции служит прекрасным источником идей, особенно когда в нашем распоряжении современные материалы, двигатели, электроника.

2) Электроника - позволяет добиться сложного поведения простыми средствами; сама схема тоже должна быть простой и понятной.

3) Эстетика - конструкция должна быть "красивой", причем не только с точки зрения дизайна, но и по своим конструктивным решениям.

4) Механика - "хитрая" конструкция может значительно упростить другие системы робота (например, уменьшить число двигателей или датчиков).

При создании BEAM-роботов следуют следующим правилам:

1) минимум электроники (что предотвращает лавинообразное усложнение конструкции, а также удешевляет ее);

2) повторное использование компонентов от неисправной и устаревшей аппаратуры(фактически все, что нужно для создания робота может быть найдено среди "спасенного имущества");

3) питание от солнечных батарей, насколько возможно (что, с одной стороны, предполагает экономичность робота, а, с другой стороны, делает его экологичным и действительно автономным).

На практике BEAM-роботы - это и простейшая конструкция с примитивными "рефлексами" (состоящая, как правило, из солнечного элемента, конденсатора, мотора и двух транзисторов), и большой восьминогий шагающий "паук", построенный на тех же принципах.

Первым воспроизведенным нами роботом стал робот L293D (рис. 1.).

Рисунок 1. Робот L293D

Данный робот следует по черной линии, Принцип поведения робота основывается на "фоторецепции" и является типичным для целого класса BEAM-роботов. В живой природе, которой подражает робот, фоторецепция - одно из основных фотобиологических явлений, в котором свет выступает как источник информации.

Белый цвет обладает самыми высокими отражающими свойствами, а черный - наименьшими. Алгоритм поведения робота достаточно прост. Когда оба фотосенсора улавливают отраженный от белого поля свет, излучаемый от светодиодов, робот движется вперед. Когда один из сенсоров заезжает на черную линию, тем самым сенсор перестает улавливать отраженный свет с белого поля, соответствующий электромотор останавливается, и робот начинает поворачиваться, выравнивая свое положение. После того как оба сенсора снова находятся над белым полем, робот продолжает свое движение вперед.

Робот состоит из микросхемы, микросхема служит для управления двигателями, пары фотоэлементов в качестве восприятия черной линии, и для передвижения двух сервоприводов.

Для управления двигателями необходимо устройство, которое бы преобразовало управляющие сигналы малой мощности в токи, достаточные для управления электромоторами, для этого робота была использована микросхема L293D с драйвером двигателей.

Микросхема L293D содержит сразу два драйвера для управления электродвигателями небольшой мощности (четыре независимых канала, объединенных в две пары). Имеет две пары входов для управляющих сигналов и две пары выходов для подключения электромоторов. Кроме того, у микросхемы L293D есть два входа для включения каждого из драйверов. Эти входы используются для управления скоростью вращения электромоторов с помощью широтно-модулированного сигнала (ШИМ).

На рисунке 2 приведена схема устройства робота L293D.

Рисунок 2. Схема устройства робота L293D

Входы ENABLE1 и ENABLE2 отвечают за включение каждого из драйверов, входящих в состав микросхемы. Входы INPUT1 и INPUT2 управляют двигателем, подключенным к выходам OUTPUT1 и OUTPUT2. Входы INPUT3 и INPUT4 управляют двигателем, подключенным к выходам OUTPUT3 и OUTPUT4.

В устройстве робота, кроме микросхемы драйвера моторов L293D, используются 2 фотоэлемента. В качестве фотоэлемента применен фототранзистор. В конструкции робота используется фототранзистор n-p-n структуры в качестве фотосенсора.

Принцип действия схемы робота очень простой. Фототранзистор подключен диодным с использованием эмиттера и коллектора, Когда на фототранзистор PTR1 падает луч света, уменьшается сопротивление прохождению току, то на входе INPUT1 микросхемы драйвера двигателей появится положительный сигнал и мотор M1 начнет вращаться. Когда фототранзистор перестанут освещать, сигнал на входе INPUT1 исчезнет, мотор перестанет вращаться.

Для теплоотвода микросхемы установлен радиатор, чтобы предотвратить перегрев и выхода из строя, также для защиты от перегрева фототранзисторов и светодиодов, введены резисторы, что бы скомпенсировать проходящий через фототранзистор и светодиода ток, в схему введены резисторы R1, R2, R3, R4, номинальным сопротивлением которых установлено 200 Ом. От номинального сопротивления резистора для фототранзистора будет зависеть не только нормальная работа фототранзистора, но и чувствительность робота. Если сопротивление резистора будет большим, то робот будет реагировать только на очень яркий свет, если - небольшим, то чувствительность будет более высокой.

В качестве шасси использованы два сервопривода, обеспечивающие плавное передвижение робота. Для обеспечения света, который будет отражать от белого поля, применен инфракрасный светодиод, фототранзистор улавливает отраженное излучение от белого поля. Расстояние между фототранзисторами 3,5см, чтобы использовать линию с достаточной шириной, ширина линии должна быть не менее 2,5см, для того что бы при наезде на линию одного из фототранзистора, обеспечивало полное перекрывания фототранзистора.

Вторым воспроизведенным нами роботом стал робот "Паук" (рис. 3.).

Рисунок 3. Робот "Паук"

Как и у всех насекомых, обычно которые имеют по три лапки на каждой стороне, при передвижении всегда с поверхностью соприкасаются три лапки, с одной стороны две, с дрогой одна, три точки опоры, за счет этого насекомое не падает. Робот имеет аналогичное передвижение. Конструкция робота состоит из скрепок, даже редуктор собран из скрепок.

Основная часть робота рама, на ней установлены все детали и механизмы. На раме установлены петли, на которых крепятся ножки робота. Основная часть коленвал, на нем установлена шестерня для передачи вращающего момента двигателя. По коленвалу через шатуны передается все движения механизма. Для привода в движение всего механизма применяется коллекторный двигатель.

Третьим воспроизведенным нами роботом стал робот, объезжающий препятствия (рис. 4-5.).

Это простейший робот. Робот, который может двигаться вперед. Когда робот встречает препятствие в виде стены или любого другого объекта он старается его обойти.

Рисунок 4. Робот, объезжающий препятствия

Рисунок 5. Принципиальная схема, робота, объезжающего препятствия

Принцип работы робота очень простой, основа такого поведения робота реализована в контактных переключателях. Переключатель имеет 3 контакта, один из которых общий. Этот контакт всегда замкнут с одним контактом, при нажатии кнопки общий контакт переходит к другому контакту. робототехника история веам рефлекс

Робот имеет две батареи, каждая из них работает отдельно. Когда кнопка переключателя не нажата, контакт замкнут в обычном положении, робот движется вперед, когда сталкивается с преградой, переключатель зажат, и контакт переходит к следующему контакту, за счет этого основная батарея отключается, включается другая батарея с противоположным полюсом, и двигатель переходит в режим реверса, робот изменяет направление движения.

Таким образом, если сравнивать стандартных роботов и ВЕАМ - роботов, то можно заметить, что ВЕАМ - роботы создаются на аналоговых схемах, в то время как стандартные роботы основываются на микропроцессорах и цифровых технологиях. Поведение роботов делает не дискретная программа, а аналоговые нейронные цепи, которые имеют возможность плавно выбирать траекторию обхода встречаемых препятствий, а также и показывать реакцию на окружающий мир.

Вышеперечисленные подходы далеко не являются непреложными, что и обеспечивает широчайшее разнообразие направлений разработки BEAM-конструкций, таких как создание эстетичных роботов; шагающих роботов; устройств, для создания световых эффектов; летающих; ползающих; плавающих; поддерживая неиссякаемый технический и творческий интерес бакалавров к этому направлению в робототехнике.

Список использованных источников

1. Conrad, James M., and Jonathan W. Mills, "Stiquito: advanced experiments with a simple and inexpensive robot", The future for nitinol-propelled walking robots, Mark W. Tilden. Los Alamitos, Calif., IEEE Computer Society Press, c1998. LCCN 96029883 ISBN 0-8186-7408-3

2. Tilden, Mark W., and Brosl Hasslacher, "Living Machines". Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA.

3. Tilden, Mark W. and Brosl Hasslacher, "The Design of "Living" Biomech Machines: How low can one go?"". Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA.

4. Still, Susanne, and Mark W. Tilden, "Controller for a four legged walking machine". ETH Zuerich, Institute of Neuroinformatics, and Biophysics Division, Los Alamos National Laboratory.

5. Tilden, Mark W., and Brosl Hasslacher, "Robotics and Autonomous Machines: The Biology and Technology of Intelligent Autonomous Agents", LANL Paper ID: LA-UR-94-2636, Spring 1995.

6. Smit, Michael C., and Mark Tilden, "Beam Robotics". Algorithm, Vol. 2, No. 2, March 1991, Pg 15-19.

7. Hrynkiw, David M., and Tilden, Mark W., "Junkbots, Bugbots, and Bots on Wheels", 2002. ISBN 0-07-222601-3 (Book support website).

Размещено на Allbest.ru