20.10.2022 Заняття №11

 Автоматика як основа робототехніки

1. Автоматика і робототехніка в сучасному суспільстві. Автоматика і роботизація є важливими ознаками сучасного інформаційного суспільства, що формується як результат інформаційно-комп'ютерної революції. Можна стверджувати, що роботизація є одним із пріоритетних напрямів сучасного етапу інноваційного розвитку — поруч з автоматизацією та кібернетизацією. Поширення роботизації привело до того, що сьогодні активно розвивається індустрія робототехніки.

Автоматика — сукупність механізмів, приладів, що діють автоматично.

Сторінками історії

З історії автоматики

Найпершим автоматом, який використовувала людина, була пастка на звіра. Вона мала можливість замінити знаряддя ловлі, адже працювала за відсутності людини. Роль «виконавчих органів» відігравали колоди, стріли, гілки із зашморгами.

Звір діє на «чутливий елемент», той — на «виконавчий орган», а останній — на звіра; система взаємодії «звір — пастка» замкнулася.

Такі ж функції виконують автоматичні регулятори й реле в сучасних автоматичних системах.

Це цікаво

Автоматичний сигналізатор Платона

Відомо, що давньогрецький філософ Платон (427—347 рр. до н. е.) збирав учнів автоматичним сигналом. У саду академії було встановлено статую з флейтою в руках. У призначений час інструмент подавав голос.

Флейта статуї за допомогою трубки з'єднувалась із водяним годинником. Витікаючи з верхньої посудини, вода стискала повітря в нижній. Тиск повітря ставав достатнім, щоб відкрити клапан, і повітря надходило до трубки — флейта подавала голос.

Сторінками історії

Перші «механічні люди»

У 1495 р. Леонардо да Вінчі вперше сформулював ідею «механічної людини», інакше кажучи — робота. За задумом майстра, цей пристрій мав являти собою манекен у лицарських обладунках, здатний відтворювати кілька людських рухів. Перший механічний пристрій, віддалено схожий на запропонований да Вінчі, сконструював французький механік Жак Вокансон у 1738 р.

А термін «робот» (від спільного для слов'янських мов слова «робота») на позначення механічних людей уперше вжив чеський письменник Карел Чапек у п'єсі «R.U.R.» на початку ХХ ст.

Робот — пристрій, який керований за допомогою електронної плати або комп'ютера і який можна запрограмувати на виконання певних операцій.

Роботизація — неперервний процес використання роботизованих технологій, що первинно замінюють монотонну людську працю та можуть імітувати складні фізичні процеси.

Робототехніка — сукупність техніки (машин, устаткування, агрегатів тощо), яка оснащена робототехнічними пристроями або функціонує спільно з роботами в єдиному технологічному процесі.

Компоненти роботів та їх характеристика

Компоненти роботів	Характеристика
Приводи	Це «м'язи» роботів. У даний час найпопулярнішими двигунами в приводах є електричні, але застосовують й інші, які використовують хімічні речовини або стиснене повітря.
Крокові електродвигуни	Крокові електродвигуни повертають робота покроково на певний кут під управлінням контролера. Це дає змогу обійтися без датчика положення, оскільки кут, на який було зроблено поворот, наперед відомий контролеру; тому такі двигуни часто використовують у приводах багатьох роботів і верстатах із ЧПУ.
П'єзодвигуни	П'єзодвигуни відомі як ультразвукові двигуни. Принцип роботи: крихітні п'єзоелектричні ніжки, що вібрують із частотою понад 1000 разів на секунду, змушують мотор рухатися по колу або по прямій. Перевагами таких двигунів є висока нанометрична точність, швидкість і потужність, неспівмірна з їх розмірами.
Повітряні м'язи	Простий, але потужний пристрій для забезпечення сили тяги. У разі накачування стисненим повітрям м'язи здатні скорочуватися до 40 % від своєї довжини. Причиною такої поведінки є видиме із зовнішнього боку плетіння, яке змушує м'язи бути або довгими і тонкими, або короткими і товстими. Оскільки спосіб їх роботи схожий із біологічними м'язами, їх можна використовувати для виробництва роботів із м'язами і скелетом, аналогічними м'язам і скелету тварин.
Електроактивні полімери	Вид пластмас, який змінює форму у відповідь на електричну стимуляцію. Їх можна сконструювати таким чином, що вони будуть гнутися, розтягуватися або скорочуватися. Утім, у даний час немає ЕАП, придатних для виробництва комерційних роботів, оскільки всі нині наявні їх зразки неефективні або недостатньо міцні.
Еластичні нанотрубки	Це багатообіцяюча експериментальна технологія, яка перебуває на ранній стадії розробки. Відсутність дефектів у нанотрубках дає змогу волокну еластично деформуватися на кілька відсотків. Людський біцепс може бути замінений проводом з цього матеріалу діаметром 8 мм. Такі компактні «м'язи» можуть допомогти роботам у майбутньому «обігнати і перестрибати» людину.

Роботизація з кожним роком дедалі більше входить у різні сфери життєдіяльності людини. Якщо раніше роботизовані технології здебільшого використовували в космічній галузі та в надзвичайних ситуаціях (для заміни участі людини з метою уникнення шкоди для її життя і здоров'я), то сьогодні роботизація яскраво простежується і в індустрії розваг, перетворюючись на соціальні проекти.

Це цікаво

Безпілотний транспорт

Уважають, що безпілотний автомобіль у майбутньому допоможе убезпечити рух, оскільки він не нехтуватиме правилами дорожнього руху і буде більш передбачуваним, аніж людина. Усілякі датчики, камери, навігаційні системи здатні зробити безпілотний транспорт більш досконалим. До того ж відсутність необхідності у водіях дасть змогу істотно заощадити на заробітній платні й використовувати транспорт практично цілодобово, що належним чином оцінять транспортні компанії та служби таксі.

Чимало компаній уже працюють над безпілотними транспортними засобами, причому серед них — як відомі представники автомобільної промисловості (General Motors, Audi, BMW, Toyota, Tesla), так і ті, хто поки що не має до неї жодного стосунку (Google, Uber).

Перлини мудрості

Одна машина здатна виконати роботу п'ятдесяти ординарних людей, але жодна машина не виконає роботу однієї неординарної людини.

Елберт Хаббард, американський письменник і філософ

2. Датчики. Датчики відіграють в автоматиці та робототехніці одну з найважливіших ролей. За допомогою різних датчиків робот «відчуває» себе самого та навколишній світ. Вони є органами чуття: очима, вухами, шкірою — для роботів.

Без датчиків зовнішнього середовища робот рухається наосліп. Зовнішні датчики беруть участь у:

• розпізнаванні місць і об'єктів, які вже траплялися раніше;
• визначенні вільного простору і плануванні в ньому руху для того, щоб уникнути зіткнень із перешкодами;
• взаємодії з предметами, людьми і тваринами;
• створенні загального уявлення про середовище навколо робота.

Датчик — термін систем управління, первинний перетворювач, елемент вимірювального, сигнального, регулюючого або керуючого пристрою системи, що перетворює контрольовану величину в зручний для використання сигнал.

Оптичний датчик

Звуковий датчик

Інфрачервоний датчик

Датчик температури

Датчик положення

Клас	Тип датчика
Тактильні датчики	Кнопка / бампер, оптичний бар'єр, датчик зазору
Відчутні сенсори	Контактна матриця, датчик потужності, обертального моменту, резистивний
Датчики двигунів	Зі щітковими контактами, потенціометр, координатний револьвер, оптичний енкодер, магнітний енкодер, індуктивний енкодер, ємнісний енкодер
Датчики положення	Гіроскоп, уклономір
Засновані на маяках (положення щодо інерціальної системи координат)	Радіочастотний маяк, ультразвуковий маяк
Далекоміри	Ємнісний датчик, магнітометри, камера, сонар, лазерний далекомір, структурований світ
Датчики швидкості / руху	Доплеровський радар, доплеровський звуковий, камера-акселерометр
Датчики ідентифікації	Лазерний далекомір, радар, ультразвуковий датчик, звуковий датчик

Створено в Україні

У київській компанії Drone.UA створюють продукти в галузі безпілотних технологій. Компанія провадить діяльність в аграрній сфері, енергетиці та нафтогазовій промисловості, а також у галузях геодезії та топографії. Технології Drone.ua використовують на понад 2 млн гектарів посівних площ України.

У запорізькій компанії «Інфоком ЛТД» розробляють безпілотний автомобіль. БНТС оснащують системою сенсорів і датчиків, щоби пристрій мав машинний зір і міг автономно приймати рішення щодо своїх дій або передавати інформацію оператору, який керує машиною дистанційно.

Розробники київської компанії «Механізмус» виробляють роботів-манекенів для реклами в магазинах одягу, на виставках. Такий робот має 9 керованих суглобів, уміє танцювати, вітати відвідувачів, може працювати за таймером або датчиком руху. Компанія постійно покращує сценарії поведінки і придумує нові можливості. Манекен повністю автономний: для заміни сценарію достатньо перезаписати програму рухів на флешку.

У відкритій одеській майстерні-лабораторії Hub Lab розробляють концепт літаючої дослідницької платформи для вивчення геології та атмосфери Марса на базі квадрокоптера.

Новітні досягнення науки і практики

Помічники — роботи і дрони

Активний розвиток робототехніки вже сьогодні дає змогу створювати доброзичливих до людини домашніх роботів і комерційних дронів. Наприклад, компанія Honda запропонувала людиноподібну модель робота ASIMO, який здатний розпізнавати людей і жести, брати і віддавати предмети, реагувати на інструкції, бігати і підніматися сходами. Але в недалекому майбутньому можна очікувати появи ще розумніших і просунутіших машин, які зможуть замінити людей на окремих роботах (наприклад, співробітників рецепції або офіціантів).

Роботи для людей з особливими потребами

Інженери з компанії Desin (США) створили робота Obi з рукою-маніпулятором, який дозволить приймати людині їжу без використання рук.

Компанія Toyota (Японія) нещодавно успішно завершила перші випробування робота Human Support Robot (HSR), розробленого для допомоги людям з інвалідністю в повсякденному житті.

22-річний українець Антон Головаченко отримав нагороду на міжнародному конкурсі Robot Launch 2016 зі своїм проектом бюджетного екзоскелета UniExo, який дає людям з інвалідністю та захворюваннями опорно-рухового апарату можливість повноцінно пересуватися.

Робот-хом'ячок Rosphere

Іспанські інженери розробили унікального робота, який за зовнішнім виглядом нагадує хом'яка (має невеликі розміри і кулясту форму). Його пряме призначення полягає в тому, щоб покращувати врожай. Пристрій пересувається городами і садами, збираючи інформацію про стан землі та рослин, стиглість плодів, наявність чи відсутність шкідників. Фермерам залишається лише відстежувати актуальну інформацію та, за необхідності, вживати відповідних заходів.

Ветеринарні роботи

Серед останніх нових технологій сільського господарства у світі слід відзначити ветеринарних роботів. Апарати квантової фототерапії значно покращують здоров'я тварин і птахів, зміцнюючи їх природний імунітет. Проведені дослідження підтвердили, що зростає плідність, продуктивність тварин (несучість, надої). У них підвищується опірність до вірусних інфекцій, а відповідь на вакцинацію стає більш вираженою і чіткою.

Усюдисущі дрони

Галузі застосування дронів з кожним роком також розширюються. Судячи з кількості та різноманітності можливих «професій» для цих безпілотних апаратів можна впевнено сказати, що за цією технологією — майбутнє. Дронів можна використовувати для доставки ліків у важкодоступні місця, транспортування замовлень з інтернет-магазинів, допомоги фермерам, виконання функцій офіціантів і патрулювання території.

Це цікаво

«Батьком» робототехніки вважають американського письменника-фантаста Айзека Азімова (1920 — 1992). Саме він у своєму оповіданні «Я, робот» (1941) сформулював три так звані закони робототехніки — обов'язкові «правила поведінки» для роботів, які є наскрізною темою його творів:

• 1. Робот не може заподіяти шкоду людині або своєю бездіяльністю дозволити, щоб людині було заподіяно шкоду.
• 2. Робот повинен підкорятися наказам людини, окрім тих, які суперечать першому пункту.
• 3. Робот повинен захищати самого себе, якщо тільки його дії не суперечать першому і другому пунктам.

Арт-галерея

Найвідоміші роботи в кіно

Johnny 5 («Коротке замикання», 1986) — перевихований бойовий робот

Wall E («Валл І», 2008) — маленький робот-прибиральник сміття

Термінатор («Термінатор») — кіборг-убивця (1984) та робот-захисник (1991, 2003)

Робокоп («Робокоп», 1987) — кіборг-поліцейський

R2D2 («Зоряні війни», з 1977) — навігаційний дроїд

C3PO («Зоряні війни», з 1977) — робот, що знає 2 млн мов

Чаппі («Робот на ім'я Чаппі») — робот-вундеркінд, здатний відчувати і думати

Sonny («Я, робот», 2004) — робот, здатний відчувати емоції, не закладені в його програмі

Сталевий гігант («Сталевий гігант», 1999) — робот-зброя, але, водночас, і захисник

За призначенням датчики, які використовують у технологічних агрегатах, поділяють на шляхові, розмірні, силові, швидкісні, а за характером створюваних сигналів — на механічні, електричні, фотоелектричні, пневматичні та гідравлічні.

Типи датчиків	Характеристика
Шляхові	Сигнал управління виникає в результаті впливу частини технологічного агрегата, яка рухається в момент, коли ця частина приходить у певне, заздалегідь передбачене, положення
Електричні безконтактні	Працюють на змінному струмі і дають відносно високе значення вихідної потужності, але на їх роботу великий вплив має коливання частоти напруги живлення
Гідравлічні шляхові	Слугують для включення, перемикання і вимикання руху шляхом відповідного управління напрямком потоків масла в гідравлічні двигуни
Пневматичні шляхові	Являють собою розподільні крани і золотники, які приводяться в дію від упорів, кулачків або лінійок
Розмірні	Використовують для контролю лінійних розмірів деталей і складальних одиниць
Реостатні	Засновані на зміні активного опору елемента залежно від величини переміщення
Дротові	Використовують для вимірювання малих переміщень або відносних деформацій. Є плоскими спіралями з каліброваного дроту, що наклеєні на картон і заклеєні зверху
Фотоелектричні	Основою є фотоелемент
Тиску	Заснований на перетворенні тиску в механічне переміщення

3. Принципи функціонування виконавчих механізмів. Для здійснення впливу системи автоматичного керування призначені виконавчі пристрої або механізми. Якщо датчики перетворюють фізичні величини, що характеризують об'єкт керування, в електричний сигнал, то виконавчі пристрої здійснюють обернену дію — перетворюють сигнал системи керування у фізичну величину, що змінює перебіг технологічного процесу в потрібному напрямі.

За видом споживаної енергії виконавчі механізми поділяють на електричні, пневматичні та гідравлічні. Найбільшого поширення набули електричні виконавчі механізми. Пневматичні та гідравлічні — застосовуються в разі необхідності отримання великої потужності під час переміщення робочого органа та у вибухонебезпечних середовищах.

Виконавчий елемент (англ. executive elements) — пристрій, що безпосередньо здійснює механічне переміщення (чи поворот) регулювального органа об'єкта управління і змінює його стан.

Конструкції виконавчих механізмів розрізняють за характером руху вихідної ланки (прямохідні і поворотні) і за видом чутливого елемента, який перетворює енергію командного сигналу в переміщення вихідної ланки.

У сучасних автоматичних системах керування основні операції обробки інформації виконує комп'ютер або мікропроцесор, тому виконавчі пристрої мають здійснювати перетворення цифрового вихідного сигналу комп'ютера у фізичну величину. У хімічних процесах цифровий сигнал перетворюється в переміщення робочих органів, що регулюють надходження вхідних реагентів, температуру в реакторі тощо.

У складі виконавчого пристрою можна виділити дві частини: малопотужну, яка складається з перетворювача і підсилювача, та потужну, що складається з потужного перетворювача і вихідного виконавчого механізму. У деяких виконавчих механізмах окремі частини можуть бути відсутні.

Виконавчі механізми поділяють на двопозиційні (бінарні) й аналогові. Їх характеризують такі параметри, як точність, робочий діапазон, швидкодія, потужність, габарити тощо.

4. Програмування Arduino. Мову програмування пристроїв Arduino засновано на C / C ++. Вона проста в освоєнні та є найзручнішим способом програмування пристроїв на мікроконтролерах.

Arduino — стандартний мікроконтролер, який отримав широке визнання в інженерів, завдяки своїй простоті, невисокій вартості та великій різноманітності плат розширення.

Плати розширення, які підключають до основної плати Arduino, дають змогу виходити в інтернет, керувати роботами і домашньою автоматикою.

Мікроконтролер (англ. microcontroller) — виконана у вигляді мікросхеми спеціалізована мікропроцесорна система, що вмикає мікропроцесор, блоки пам'яті для збереження коду програми і даних, порти вводу-виводу і блоки зі спеціальними функціями.

Плата Arduino Uno

Плата Arduino може підключатися до порту USB комп'ютера. Коли вона підключена, можна посилати повідомлення в обох напрямках. На відміну від комп'ютера, Arduino майже не має пам'яті, а також не має операційної системи, клавіатури з мишею та екрана. Головне її завдання — читання даних з датчиків і управління виконавчими пристроями. Тобто можна, наприклад, підключити до плати датчик вимірювання температури й управляти потужністю обігрівача.

Деякі проекти, реалізовані на основі Arduino:

• світлодіодні куби;
• лічильники Гейгера;
• музичні інструменти;
• дистанційні датчики;
• роботи.

Робот-черепаха Arduino

Гусенична машина на Arduino

Arduino-автомобіль, який проїжджає лабіринти

Машина на Arduino

Робот-собака з Arduino і пластикових трубочок

Балансувальний Arduino-робот

Arduino-робот, що крокує

Радіокерований робот на базі Arduino

Робот «Гидке каченя»

Використані компоненти: шасі, дріт, клей, плата arduino, драйвер двигуна L293.

Noodlebot — крокуючий робот

Використані компоненти: коробка, Arduino Nano, EasyVR 2.0 voice recognition module, 4 мікросервомашинки MG90, ультразвуковий далекомір HC-SR04, світлодіодна матриця, MAX7219 Display Driver, Garan Audio Module, 2GB Micro SD, ІК-сенсор HC-SR501, ball switches, Lipo-батарея 7.4V 1000mAh 20C 2S, U-BEC 3A 5 / 6V, Mini White 3.5mm Pillow Speaker, Low Voltage Lipo Monitor.

Arduino-робот жук Ringo

Використані компоненти: плата arduino, три невеликі аналогові сервоприводи, сталевий дріт (діаметр 1,5-2 мм), ІК-приймач, міні-бредбоард, 2-3 звичайні металеві скріпки.

Перлини мудрості

Те, що сьогодні наука, — завтра техніка.

Едвард Теллер, американський фізик

Створено в Україні

Віктор Михайлович Глушков (1923—1982) — український радянський учений, піонер комп'ютерної техніки. Запропоновані ним побудови «око-рука», «читаючий автомат», самоорганізуюча структура поклали початок новим прикладним технологіям, унікальним розробкам, пов'язаним зі створенням так званого штучного інтелекту. За безпосередньої участі В. М. Глушкова в Інституті кібернетики проводились інтенсивні розробки автоматизованих систем управління, зокрема систем управління технологічними процесами, автоматизації наукових досліджень та випробувань складних промислових об'єктів, систем організаційного управління промисловими підприємствами.

У післямові (висновках) до книги «Основи безпаперової інформатики» (1982) В. М. Глушков пророче пише: «Безпаперова інформатика розвивається винятково швидкими темпами <...> Зрощування засобів телекомунікації з машинною інформатикою (що реалізуються в мережах ЕОМ і ОЦ з віддаленими терміналами) вже привело до появи нового терміна — «телематика». Найпалкіші апологети телематики пророкують, що вже недалеко той день, коли зникнуть звичайні книги, газети і журнали. Натомість кожна людина буде носити із собою «електронний блокнот», що становитиме собою комбінацію плоского дисплея з мініатюрним радіоприйомопередавачем. Набираючи на клавіатурі цього «блокнота» потрібний код, можна, перебуваючи в будь-якому місці на нашій планеті, викликати з гігантських комп'ютерних баз даних, пов'язаних у мережі, будь-які тексти, зображення (у тому числі й динамічні), які замінять не лише сучасні книги, журнали і газети, а й сучасні телевізори».

Це цікаво

Щороку в різних країнах проходить Всесвітня олімпіада з робототехніки — World Robot Olympiad (WRO) — одна з найбільших олімпіад світу для учнів, студентів і дорослих. Робототехніка — чудова платформа для здобуття навичок, необхідних у ХХІ ст. Розв'язання робототехнічних задач закладає підвалини інновацій та креативності, які згодом знайдуть відображення в науці, інженерії та комп'ютерному програмуванні. Перші змагання з робототехніки відбулися в 2004 р. в Сінгапурі, де були представлені 12 країн і 4 тис. команд. Зараз у них бере участь понад 20 тис. команд з майже 60 країн, у тому числі з України. Щорічний Всеукраїнський фестиваль ROBOTICA є національним відбірковим етапом до участі у WRO.