Юный техник, 2013 № 09

АЗБУКА РОБОТОТЕХНИКИ «Мускулы» робота

Помните замечательную книжку Юрия Олеши «Три толстяка»? Механическая кукла наследника Тутти могла двигаться, открывать и закрывать глаза…

Конечно, «Три толстяка» — сказка. Тем не менее сотни лет назад в разных странах искусные механики строили механизмы, очень похожие на куклу Суок. Так, например, в начале XVIII века во Франции жил часовщик Жак де Вокансон. Но — странное дело! — он почти не принимал заказы на починку часов. Чем часовщик занимался? Однажды об этом узнали все соседи. Вокансон продемонстрировал им механического флейтиста — куклу, которая умела играть на флейте двенадцать музыкальных пьес. Затем Вокансон создал другого андроида-музыканта. Левой рукой тот играл на свирели, правой — на бубне, а кроме того, отняв свирель от губ, прищелкивал языком, по обычаю музыкантов тех мест. В 1738 году куклы были показаны в Париже. Парижане ахали от удивления, слушая их игру.

В соседней стране, Швейцарии, мастер Пьер Жаке-Дроз построил механического писца. Писец ростом с пятилетнего ребенка сидел за столиком. Он макал гусиное перо в чернильницу, затем выводил четким почерком отдельные слова и целые фразы.

За работой отца наблюдал шестнадцатилетний сын Анри. И четыре года спустя, в 1774 году, он сам сделал андроида-художника, рисовавшего карандашом разные фигуры. Временами рисовальщик замирал, как бы размышляя, иногда дул на лист, чтобы удалить невидимые соринки. Потом оба механика вместе построили механическую пианистку. Она играла на фисгармонии — инструменте, похожем на современное фортепьяно. Пальцы пианистки быстро бегали по клавишам, извлекая из инструмента певучие звуки.

Это лишь некоторые андроиды прошлого. Можно было бы еще вспомнить о «говорящей голове» Роджера Бэкона, об укротительнице змей, построенной механиком Гастоном Дешаном, о механической служанке, которая открывала двери в доме ученого Альберта Великого, о «железном мужике», который, как говорят, прислуживал за столом царя Ивана Грозного, об удивительных самоделках Ивана Кулибина, о творениях многих других мастеров.

Все эти самоделки, словно механические часы, приводились в действие часовыми пружинами. Однако пружина — вовсе не лучший двигатель. Если для часов она еще годилась, то вот для роботов — далеко не всегда. А потому механики со временем перепробовали все двигатели, которые были в их распоряжении. Скажем, английский механик Джордж Мур в 1893 году построил «механического человека», который приводился в действие паровой машиной и развивал при ходьбе скорость до 14 км/ч.

Пробовали робототехники использовать и двигатели внутреннего сгорания, однако наиболее удобными оказались все же двигатели электрические. Причем не совсем обычные. И дело не только в их размерах и мощности. Ведь ныне существуют как крохотные двигатели для моделей, размерами с фалангу вашего мизинца, так и огромные моторы, двигающие электровозы, которые, в свою очередь, тянут за собой тяжеленные железнодорожные составы.

Если, скажем, в токарном или сверлильном станке электромоторы обычно крутятся лишь в одну сторону, включаются и выключаются непосредственно самим рабочим, то колеса шасси робота должны по команде крутиться как в одну, так и в другую сторону, причем с разной скоростью, а то и пошагово, то есть поворачиваться на определенный угол. И сами команды могут подаваться дистанционно — оператором, который может находиться за десятки метров, а то и миллионы километров, на другой планете, как в случае с луноходами и марсоходами.

Поэтому во многих случаях в робототехнике используются электромоторы не переменного, а более удобные в управлении коллекторные двигатели постоянного тока. Они легко управляются — подай на них постоянный ток от батареи или аккумулятора, и они начинают крутиться. Причем скорость вращения напрямую зависит от величины напряжения. Поменять направление вращения тоже просто, надо лишь поменять полярность подаваемого напряжения.

Правда, есть у коллекторных двигателей и свои недостатки. Ток передается с неподвижного статора на вращающийся ротор с помощью щеток коллектора. А они имеют свойство довольно быстро истираться от трения. Да и использование постоянного тока не всегда удобно — ныне в электротехнике чаще применяют переменный ток. А значит, нужен еще и выпрямитель.

Поэтому некоторые конструкторы предпочитают использовать в своих разработках бесколлекторные электродвигатели переменного тока. Они экономичны и долговечны. Но вот с управляемостью скорости вращения у них проблемы: для этого нужно менять частоту переменного тока, что опять-таки требует специального оборудования.

Еще одна разновидность двигателей, которая часто используется в робототехнике, — шаговые. Они умеют по команде «сделать шаг» — то есть повернуться на заранее заданный угол. Величина шага (или угла поворота) зависит от конкретной конструкции данного двигателя. Если в нее заложен шаг в 24 градуса, значит, полный оборот двигатель сделает за 15 шагов.

Такие двигатели довольно часто используются, например, в конструкциях шагоходов.

И, наконец, последняя разновидность двигателей, с которыми мы сегодня познакомимся, — это серводвигатели. Они могут не только поворачиваться на определенный угол, но и удерживать его. Такие двигатели обычно применяют для движения механических рук робота. Кроме того, с их помощью отклоняют ротор вертолета и элероны самолета, — на определенный угол поворачивают передние колеса автомобилей в радиоуправляемых моделях.

В состав сервомеханизмов, кроме двигателей, могут входить датчики-сенсоры, которые позволяют роботу ориентироваться в окружающей обстановке, а также системы телеуправления или бортовой компьютер-микроконтроллер, на месте «соображающий», согласно заложенным в него программам, что делать, какую команду подать в том или ином случае.

Исторически сложилось так, что поначалу роботами дистанционно управляли операторы с помощью средств телемеханики. Термин «телемеханика» был предложен в 1905 году французским ученым Э. Бранли. Первоначально достижения телемеханики использовали для управления по радио подвижными военными объектами — например, танкетками на поле боя. Известны случаи применения боевой техники, оснащенной устройствами управления на расстоянии, еще во время Первой мировой войны.

Практическое применение телемеханики в мирных целях началось в 20-х годах ХХ века, главным образом на железнодорожном транспорте. Дистанционное управление семафорами и стрелками было впервые осуществлено в 1927 году на железной дороге в Огайо (США). А спустя шесть лет первые телесистемы появились и в Московской энергосистеме (Мосэнерго).

Развитие телемеханики шло параллельно с развитием электроники и средств связи. Первые системы строились на релейных схемах. В 50-х годах прошлого века на смену реле пришли более компактные транзисторы. В конце 60-х годов началось использование интегральных микросхем.

В конце 80-х годов в схемотехнике систем телемеханики в схемах, построенных на жесткой логике, в качестве управляющего элемента стали использовать программируемые микроконтроллеры. Это позволило гибко адаптировать, приспосабливать аппаратуру управления под решение той или иной конкретной задачи путем изменения программы. В 1992 году был изготовлен первый в СССР комплекс телемеханики «Сириус», построенный на восьмиразрядных микропроцессорах.

Постепенно предпочтение в робототехнике стали отдавать системам автоматического, а не дистанционного управления. И вот почему. Во-первых, людям свойственно уставать, а значит, и ошибаться. Во-вторых, даже самый толковый оператор может не успеть уследить за изменяющимися событиями. Так, например, в свое время на тех же советских луноходах, отправленных на Селену

в начале 70-х годов, были установлены автоматические датчики крена. Нужны они оказались вот для чего. Радиосигнал летит с огромной быстротой — 300 000 км/с. Но все равно, даже при такой скорости путь от Земли до Луны и обратно он проделывает за 2 секунды. Казалось бы, невелик срок. Но за это время луноход может преодолеть несколько метров и. опрокинуться, если на пути попадется, скажем, кратер — яма, оставшаяся от упавшего некогда метеорита.

Чтобы такого не случилось, и на «Луноходе-1», и на «Луноходе-2» были установлены датчики-сенсоры, следившие за наклоном машины и подававшие команду «стоп» тотчас, как только возникала опасность опрокидывания. Но подробнее о сенсорах и их устройстве мы с вами поговорим в следующий раз.

Современный робот-андроид

«ШАГИ» ДВИГАТЕЛЕЙ

Шаговые электродвигатели умеют по команде микроконтроллера «сделать шаг» — то есть повернуться на заранее заданный угол.

По конструкции шаговый электродвигатель представляет собой синхронный бесщеточный электромотор с несколькими обмотками. При этом ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. А последовательная активация обмоток двигателя — подача энергии на ту или иную обмотку — позволяет произвести дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Шаговые двигатели с ротором из магнитно-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнитно-твердого (магнитного) материала позволяют получать довольно большой крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках. Моторы с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора. Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Шаговый электродвигатель NEMA 17.

Главное достоинство шаговых приводов — точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Кроме того, стоят они дешевле сервоприводов, о которых пойдет речь ниже.

Впрочем, есть у шаговых двигателей и недостатки. Наиболее известная проблема — возможность «проскальзывания» ротора при превышении нагрузки на валу, неверной настройке управляющей программы или при приближении скорости вращения к резонансной. Чтобы избежать проскальзывания ротора, лучше использовать двигатели с избыточной мощностью.

Шаговые двигатели стандартизованы по размерам и диаметру фланца. Например, двигатели NEMA 17, NEMA 23, NEMA 34 имеют диаметр фланца 42 мм, 57 мм и 86 мм соответственно. Шаговые электродвигатели NEMA 23 могут создавать крутящий момент до 30 кгс/см, NEMA 34 — до 120 кгс/см. И так далее, до 210 кгс/см для двигателей с фланцем 110 мм.

Еще одна распространенная разновидность двигателей для робототехники — это серводвигатели или сервоприводы. В мире большой техники к сервоприводам относятся многие регуляторы и усилителей — в частности, рулевое управление и тормозная система на тракторах и автомобилях. Управляют направлением движения сервоприводы и в моделях. Таким способом — с помощью привода с управлением через отрицательную обратную связь — удается точно управлять скоростью и направлением.

Сервопривод хорош тем, что не предъявляет особых требований к электродвигателю и редуктору, компенсирует люфты в приводе, имеет большую скорость перемещения элемента, позволяет мгновенно диагностировать поломки.

Однако при этом сервопривод требует наличия датчиков, им сложнее управлять, а кроме того, такие приводы, как правило, дороже шаговых.