Вадим Мацкевич - Занимательная анатомия роботов

• Название: Занимательная анатомия роботов
• Автор: Вадим Мацкевич
• Издательство: Радио и связь
• Жанр: Техническая литература
• Год: 1998
• ISBN: 5-256-00037-3

В занимательной форме рассказано об исследованиях и разработках важнейших систем современных роботов. Показано, как можно самим выполнить ту или иную систему робота из простейших электронных схем. Приведены практические схемы отечественных и зарубежных любительских конструкций роботов. По сравнению с первым изданием (1980 г) материал значительно обновлён Для широкого круга читателей.

---

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

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

Человек не выдерживает сравнения с автоматом и по чувствительности к воздействию радиоактивного облучения. А радиационная устойчивость электронных систем в десятки раз выше допустимой для человека дозы облучения. Исключительно чувствителен человек и к воздействию ускорений и колебаний температуры. Однако не только это создаёт трудности при конструировании пилотируемых космических кораблей. Следует учитывать и такие проблемы, как обеспечение возможности дыхания и питания человека в космическом корабле, а также удаления продуктов обмена, контроль за мышечной деятельностью и действием системы кровообращения в условиях невесомости и, наконец, психологическую подготовку экипажа к полёту в космос. Следует иметь в виду также, что человек подвержен усталости и его работоспособность временами значительно понижается, в то время как автоматы способны работать надёжно длительный срок.

Что такое кибернетика?

Итак, робот с помощью своих органов чувств получил информацию о внешней среде: он увидел, услышал, почувствовал… Теперь нужно реагировать на полученные сигналы: протянуть руку, взять нужную деталь, с большой точностью установить её на место, закрепить винтами и т. д. Как все это выполнить «по – человечески» – плавно, без лишней суеты, рывков? Ответ на этот вопрос даёт кибернетика. Кибернетика неотделима от бионики. Говорят даже, что кибернетика родилась «под знаком робота».

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

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

3. Моделирование – экспериментальная основа роботостроения

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

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

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

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

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

Затем можно будет последовательно переходить к следующим конструкторам, выпускаемым промышленностью: модульному для сборки сложных радиоэлектронных систем из простейших типовых узлов – модулей; для изучения логических основ построения ЭВМ и знакомства с микросхемотехникой; для сборки и исследования основных каналов ЭВМ.

Обо всех этих конструкторах мы ещё расскажем, а пока ответим на вопрос: что же это такое – моделирование и как оно применяется в практике современного технического конструирования?

Модель и моделирование

Современные научно – технические исследования и промышленное строительство ведутся с огромным размахом, и на них затрачивается много средств (вспомним хотя бы о космических исследованиях). Поэтому ошибки или просчёты могут привести к бесполезной грате материально – технических и людских ресурсов. Этого можно избежать, если предварительно изучить процессы и явления, протекающие в реальном объекте, с помощью модели. В технике моделью называют уменьшенное или упрощённое подобие интересующего нас объекта, для которого характерны процессы, сходные с процессами, происходящими в этом реальном объекте. Изучение свойств модели даёт ориентировочное представление о свойствах и возможностях объекта.

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

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

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

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

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

Моделирование радиоэлектронных устройств из радиокубиков

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