CSI BASE - информационный сборник робототехнической теории.

💡Проект от CSI, ориентированный на нашу юную аудиторию и представляющий из себя сборник информационных статей о роботах.

❓В данный момент CSI BASE включает 3 раздела: "Робототехника: наука о роботах", "Механизмы в роботах" и "Устройства в роботах".

🔔Время публикации статей - ежедневно в 10.00 по мск.

🙂Надеемся, что вы проведете здесь время с пользой.

P.S Мы ни в коем случае не претендуем на образовательный контент, CSI BASE - информационная платформа.

❓Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и роботов.

🤫Термин “робототехника” впервые был использован знаменитым писателем-фантастом Айзеком Азимовым в произведении “Лжец” в 1941 году.

⚠️Главная задача робототехники – это конструирование и использование роботов, а также роботизированных систем любого назначения.

🤖Робот – это автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма и используемое для выполнения различного рода действий. Термин “робот” происходит от чешского слова “robota”, означающего в переводе с этого языка “подневольный труд”, и впервые был употреблен Карелом Чапеком в пьесе “R.U.R” в 1920 году.

💡Сведения о первом практическом применении прообразов современных роботов относят еще к Древней Греции. Считается, что еще в 5-4 веках до н.э Архит Тарентский изобрел механического голубя, который приходил в действие посредством использования сжатого воздуха или пара и мог пролететь несколько сот футов. (100 футов = 30.48 метра)

💯Действуя по заранее заложенному алгоритму (определенный порядок действий) и получая информацию о внешнем мире от датчиков (аналоги органам чувств у живых организмов), робот способен выполнять различные операции и процессы. Стоит отметить, что робот может иметь связь с оператором, получая команды от него, или же действовать автономно, иначе говоря - самостоятельно.

🔔З закона робототехники – это фундаментальные правила, которым должны подчиняться все роботы, чтобы обеспечить этичное и безопасное взаимодействие с людьми.

🥸Основоположником данных законов является писатель-фантаст Айзек Азимов, который впервые упомянул о них в своем рассказе “Хоровод” в 1942 году.

Законы гласят:

1️⃣Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред.

2️⃣Робот должен повиноваться всем приказам, которые даёт человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону.

3️⃣Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому и Второму Законам.

🙂Примечательно, что в 1986 году в романе “Роботы и Империя” Айзек Азимов выдвинул еще и нулевой закон робототехники:

0️⃣Робот не может причинить вред человечеству или своим бездействием допустить, чтобы человечеству был причинён вред.

🔔Роботов разделяют на виды по многим критериям. Рассмотрим основные способы классификации роботов:

✔️Согласно IFR (International Federation of Robotics):

1️⃣Промышленные роботы
Данный вид роботов выполняет задачи по автоматизации процессов производства, повышению эффективности и качества проводимых работ. К промышленным роботам относятся стационарные или подвижные автоматические машины, различного рода манипуляторы. Базируется данный вид преимущественно в производственных цехах.

2️⃣Сервисные роботы
Данный вид заменяет или дополняет человека в решении типовых и рутинных задач в сфере обслуживания. Базируются такие роботы за пределами производственных цехов.  Дополнительно сервисных роботов разделяют на:
▪️Роботы персонального обслуживания. Они используются нами в повседневной жизни. К ним относятся: роботы-пылесосы, домашние роботы, роботизированная кухня и т.д.
▪️Профессиональные сервисные роботы. Они используется для получения прибыли от оказания различных услуг. К ним относятся: диагностические роботы, роботы-курьеры, роботы-консультанты и т.д.

⚠️По типу управления:

1️⃣Автономные. Данный вид роботов не требует контроля человека при выполнении различных задач. Они способны самостоятельно анализировать и обрабатывать информацию, принимать дальнейшие решения.

2️⃣Полуавтономные. Данный вид роботов не требует контроля человека при выполнении различных задач, однако способен действовать строго по заложенному алгоритму, не отступая от него ни на шаг.

3️⃣Управляемые. Данный вид роботов требует постоянного контроля оператора, причём человек может управлять им как с близкого расстояния, так и удалённо.

📣По способу передвижения:

1️⃣Колесные. Данный вид роботов передвигается на обычных колесах. Подобный тип передвижения характерен для автомобилей.

2️⃣Гусеничные. Данный вид роботов передвигается на гусеницах. Обычно подобные роботы используются в военных целях.

3️⃣Шагающие. Данный вид роботов имитирует ходьбу человека или животных. Сейчас активно создаются как двуногие, так и трех- и четырехногие машины.

4️⃣Летающие. Данный вид роботов представлен различными видами дронов, БПЛА, ракет.

5️⃣Плавающие. Данный вид роботов передвигается в воде или под водой, преимущественно используя силу ветра или винты.

6️⃣Гексаподы. Данный вид роботов имитирует передвижение различных насекомых.

🤖Любой современный робот – это единый и сложный механизм, нацеленный на выполнение определенных задач и состоящий из определенных блоков, каждый из которых имеет свое особое функциональное значение.

💡Механизм - это совокупность подвижно соединенных частей, в которой при движении одного элемента (звена) другие звенья выполняют определенные согласованные движения. Предназначен он для передачи или преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение других тел.

❓Звено механизма - одно или несколько соединенных абсолютно твердых тел (т.е тела деформацию которых можно не учитывать), соединенных между собой неподвижно и движущихся как единое цело. Однако, существует вид механизмов и с гибкими звеньями о которых будет упомянуто позднее. Два звена механизма могут образовывать кинематическую пару.

⚠️Все неподвижные детали механизма образуют одну устойчивую систему тел, называемую неподвижным звеном или стойкой (например, корпус чего-либо)

📣Кинематическая пара – это соединение двух звеньев, обеспечивающее определенное относительное движение (движение тела относительно подвижной системы отсчета). Она может быть высшей и низшей.

🔽🔼Низшая кинематическая пара подразумевает соприкосновение звеньев по поверхности, а высшая исключительно по линии или в определенной точке.

🔗Кинематическая цепь – это совокупность звеньев, образующих между собой кинематические пары. Таким образом, механизм состоит из подвижных и неподвижных звеньев, кинематических пар, образующих кинематические (движущиеся) цепи. 

Механизмы бывают плоскими и пространственными.

1️⃣Плоские механизмы -  это механизмы, все точки звеньев которых движутся в параллельных плоскостях.

2️⃣Пространственные механизмы – это механизмы, все точки звеньев которых движутся или по кривым траекториям, или в пересекающихся плоскостях.

Выделяют следующие основные типы механизмов:

1️⃣Рычажные механизмы – механизмы, содержащие исключительно низшие кинематические пары.

2️⃣Кулачковые механизмы – механизмы, содержащие исключительно высшие кинематические пары.

3️⃣Фрикционные механизмы – механизмы, где передача движения происходит за счет сил трения.

4️⃣Зубчатые механизмы – механизмы, содержащие зубчатые колеса.

5️⃣Механизмы с гибкими звеньями – механизмы, содержащие звенья, не являющиеся абсолютно твердыми телами.

🔔Мы уже рассмотрели понятие кинематической пары механизмов в прошлом пункте. Примечательно, что в кинематической паре следует различать ведущее и ведомое звенья. Таким образом, звено, задающее движение, называют ведущим, а получающее – ведомым.

💡Механическая передача – это механизм для преобразования (передачи) вращательного движения с ведущего звена различных машин на ведомое. Именно механическая передача обеспечивает возможность повышения или понижения скорости, силы, изменения направления движения, а также приведения в движение сразу нескольких звеньев и механизмов одним двигателем.

⚠️Большинство механических передач можно разделить на повышающие и понижающие.

🥇Повышающие механические передачи – это механизмы, где большое ведущее колесо вращает маленькое ведомое, увеличивая скорость вращения, однако уменьшая крутящий момент (сила, которую выдает двигатель) в кинематической паре.

🥈Понижающие механические передачи – это механизмы, где маленькое ведущее колесо вращает большое ведомое, уменьшая скорость вращения, однако увеличивая крутящий момент в кинематической паре.

Различают следующие основные виды механических передач:

1️⃣Зубчатая передача – это механизм, служащий для передачи вращательного движения с одного вала на другой и изменения частоты вращения посредством использования зубчатых колес и реек. Зубчатая передача состоит из двух колес, находящихся в зацеплении. Меньшее колесо из сопряженной пары называют шестерней, а большее – зубчатым колесом.  

2️⃣Ременная передача – это механизм, передающий вращательное движения от одного шкива (колеса) к другому посредством использования специального ремня. Ременная передача может быть прямой, обеспечивая вращение двух колес в одном направлении, и перекрестной, обеспечивая движение шкивов в разных направлениях.

3️⃣Коронная передача – это механизм, передающий вращательное движение посредством использования прямозубой (типичный вариант шестерни) и коронной (особый тип шестерен, их зубья находятся на боковой поверхности) шестерни. Данная передача способна изменить направление вращательного движения на 90 °.

4️⃣Червячная передача (зубчато-винтовая) – это механизм, передающий вращательное движение посредством использования зубчатого колеса и винта (червяка). Данная передача имеет возможность самоторможения, а также способна изменять направление вращательного движения на 90 °.

5️⃣Фрикционная передача – это механизм, использующий силу трения для передачи механической энергии.

🤫Основным элементом, в котором располагаются все остальные детали и механизмы роботов, является его корпус. В большинстве случаев он является также и несущей, силовой составляющей всей конструкции, т.к способен обеспечить необходимое взаимное расположение всех звеньев механизмов робота.

🛡Главная функция несущего корпуса – это защита конструкции аппарата от внешних воздействий и обеспечение связи между механизмами устройства. Корпус робота разделяют на 2 вида: внешний и внутренний (каркас).

💯В современном мире несущий корпус робота изготавливается из разных материалов в зависимости от целей и задач использования устройства. Чаще всего склоняются к использованию стали, алюминия или пластика. Стоит отметить, что в местах, где необходимо размещение электрических систем, следует использовать пластик или другие непроводящие материалы.

🔔В различных машинах используются механизмы, которые состоят из вращающихся элементов. Чтобы поддерживать необходимое вращение, инженеры внедряют в них специальные детали – валы и оси.

💡Вал – это деталь механизма, передающая крутящий момент вдоль своей оси от двигателя на другие элементы, тем самым вызывая их вращение.

⚠️Часто можно встретить понятия “ведущий вал” и “ведомый вал”: ведущий вал передает движение на передачу, а ведомый вал как раз-таки и получает это движение.

❓Ось – стержень, не передающий крутящего момента, на котором держаться вращающиеся детали. Делятся на подвижные (вращаются вместе с элементами на ней) и неподвижные.

✔️Зубчатые колеса, шкивы (колесо, имеющие обод по окружности), муфты (деталь, соединяющая два элемента многокомпонентного механизма) и другие элементы размещаются на валах и осях. Для изготовления данных деталей чаще всего используют стали Ст40 и Ст45.

🔔Прежде чем перейти к разбору следующего элемента механизмов важно упомянуть одно из важнейших физических понятий - трение.

❓Трение - это процесс механического взаимодействия физических тел, который проявляется при их относительном перемещении в плоскости контакта.

⚠️Сила трения - это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному перемещению.

Выделяют 3 вида трения:

1️⃣Трение покоя. Возникает между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению их относительного движения.

2️⃣Трение скольжение. Возникает при движении одного тела относительно другого.

3️⃣Трение качения. Возникает, когда одно тело катится по поверхности другого тела.

В физике также выделяют 2 вида трения в зависимости от типа трущихся поверхностей:

1️⃣Сухое трение. Возникает в зоне контакта твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки.

2️⃣Вязкое трение. Возникает при движении твердого тела в жидкой или газообразной среде.

🔔В качество опор для валов и осей используются подшипники, которые способны поддерживать их с определенной жесткостью.

⚠️Главная задача подшипника - обеспечить фиксацию оси или вала в пространстве, их свободное вращение или качение, передачу нагрузки. Именно от их качества в значительной степени зависит работоспособность и долговечность машин.

По направлению воспринимаемой нагрузки подшипники делятся на 3 типа:

1️⃣Радиальные подшипники – подшипники, воспринимающие радиальную нагрузку, поперек его оси.

2️⃣Упорные подшипники – подшипники, воспринимающие осевую нагрузку, вдоль его оси.

3️⃣Упорно-радиальные подшипники – подшипники, способные воспринимать радиальную и упорную нагрузки.

По виду трения подшипники делятся на 2 типа:

1️⃣Подшипники качения (преобладает трение качения)

2️⃣Подшипники скольжения (преобладает трение скольжения)

📣Пружина – один из наиболее широко применяемых элементов в механизмах.

❓Используется для снятия вибрация, компенсации износа, проведения различных измерений, предохранения от ударов и нагрузок. Однако, все-таки главной функциональной целью пружины являются поглощение, накопление и отдача механической энергии.

💡Пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего необходимые упругие и прочностные свойства. Наиболее часто применяются стальные пружины общего назначения, как правило изготавливаемые из высокоуглеродистой стали, нержавейки.

По виду воспринимаемой нагрузки пружины можно разделить на 4 вида:

1️⃣Пружины сжатия, которые рассчитаны на уменьшение длины под определенной нагрузкой.

2️⃣Пружины растяжения, которые рассчитаны на увеличение длины под определенной нагрузкой.

3️⃣Пружины изгиба, которые применяются для передачи упругих деформаций при незначительных изменениях их геометрических размеров.

4️⃣Пружины кручения – тип пружин, который сопротивляется крутящему моменту (сила, вращающая тело). Они в свою очередь делятся на 2 подтипа:

1️⃣Торсионные пружины – пружины, которые работают путем скручивания своего конца вдоль своей оси, тем самым сопротивляясь крутящему моменту.

2️⃣Спиральные пружины – пружины, имеющие форму спирали и обладающие возможностью оказания сопротивления крутящему моменту (пружина подвергается скручиванию вокруг ее оси).

🔔Муфта – это делать, которая постоянно или временно соединяет элементы в многокомпонентном механизме с целью формирования непрерывного участка или передачи крутящего момента от ведущей части к ведомой.

🤫Муфты используются давно и потому нашли широкое применение в различных сферах жизни. Стыковка отдельных элементов механизма – основное назначение любой муфты, однако они могут выполнять и следующие функции:

➖Передача энергии при сохранении исходной мощности.
➖Прерывание потока тепла
➖Увеличение длины соосных валов
➖Выполнение функций амортизатора
➖Компенсирование перекосов

По назначению муфты можно разделить на следующие типы:

1️⃣Соединительные муфты, обеспечивающие соединение определенных составляющих системы.
2️⃣Стыковые муфты, предназначенные для фиксации поврежденных участков.
3️⃣Обжимные муфты, предназначенные для ликвидации повреждений в детали методом обжима, в том числе для восстановления герметизации.
4️⃣Компенсирующие муфты, ликвидирующие возможные последствия от перекосов в системе.
5️⃣Предохранительные муфты, использующиеся для контроля крутящего момента и способные разрывать соединение при превышении его допустимых значений.
6️⃣Пусковые муфты, предназначенные для плавного запуска механизма, нуждающегося в защите от чрезмерных нагрузок.