🙂Добрый день!

🔔Основная часть разделов "Робототехника: наука о роботах" и "Механизмы в роботах" подошла к концу. Материал будет дополняться в дальнейшем, однако сейчас в целях сохранения логической последовательности информации начнется публикация статей нового обширного раздела - "Устройства в роботах".

🤫Раздел "Устройства в роботах" включит описание целей и принципа работы всех основных устройств и датчиков, используемых при разработке роботизированных систем.

🔜Первая статья раздела выйдет 10 января в 10.00 по мск.

😮Все вышедшие статьи появятся в отдельном разделе на нашем сайте, csifuture.com, также 10 января.

☀️Были бы рады обратной связи, нам очень важно ваше мнение касательно публикуемого нами материала. Спасибо!

🔔С целью разработки полноценного функционального робота его активно оснащают различными устройствами и датчиками.

🆒Главная цель данных элементов в роботе - предоставить устройству возможность взаимодействовать с окружающей средой.

⚠️Таким образом, устройства, такие как двигатели, серводвигатели, аккумуляторы и другие элементы, о которых мы поговорим чуть позже, предоставляют роботу возможность выполнять различные задачи в окружающем его пространстве.

❓В свою очередь датчики, чувствительные устройства, заменяющие роботу человеческие органы чувств, обеспечивают ориентацию робота в пространстве и корректное взаимодействие с окружающей его средой.

Датчики разделяют на два основных вида:

1️⃣Внутренние датчики - датчики, предоставляющие данные о роботе, такие как его положение в пространстве, скорость и ускорение.

2️⃣Внешние датчики  - датчики, предоставляющие данные об окружающей среде, к примеру, о влажности или температуре воздуха.

😢К сожалению, по техническим причинам мы вынуждены отложить выпуск раздела CSI BASE на нашем сайте.

💯Раздел появится уже в ближайшие дни.

🔄Публикация раздела намечена на 17 января.

❓Двигатель - это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механическую работу.

🔔В современном миру существуют самые разные виды двигателей. Наиболее популярные из них:

1️⃣Пневмодвигатели -  двигатели, преобразующие энергию воздуха в механическую работу. Их разделяют на объемные (работа совершается в результате расширения сжатого воздуха в цилиндрах) и турбинные (работа совершается за счёт воздействия потока воздуха на лопатки турбины).

2️⃣Гидродвигатели - двигатели, преобразующие энергию воды в механическую работу. Гидродвигатели делят на объемные (действуют от гидростатического давления) и динамические (поток жидкости вращает лопастное колесо).

3️⃣Тепловые двигатели -  двигатели, использующие теплоту внешних источников (двигатель внешнего сгорания) или теплоту, получаемую при сгорании топлива внутри двигателя (двигатель внутреннего сгорания), для совершения механической работы.

⚠️К слову, в большинстве современных автомобилей используется именно двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Большая часть таких двигателей является четырехтактными.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех фаз:

1️⃣Впуск. Горючая смесь попадает в камеру сгорания. Поршень перемещается из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку. Выпускной клапан закрыт, впускной открыт.

2️⃣Сжатие. Поршень начинает обратное движение, тем самым сжимая горючею смесь. Оба клапана закрыты.

3️⃣Рабочий ход. В конце такта сжатия происходит поджигание горючей смеси свечой - происходит ее сгорание с выделением большого количества теплоты. Оба клапана закрыты. Поршень начинает движение вниз.

4️⃣Выпуск. Отработавшее топливо удаляется наружу через выпускной клапан. Поршень поднимается в верхнюю мертвую точку.

❗️Энергия топлива преобразуется в механическую работу.

🤫Однако в современных роботах в основном используются электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую работу.

В целом электрические двигатели делят на три вида:

1️⃣Двигатели переменного тока - двигатели, работающие от переменного тока.

2️⃣Двигатели постоянного тока - двигатели, работающие от постоянного тока.

3️⃣Универсальные двигатели - двигатели, работающие от двух видов тока.

🔍В целом принцип работы электродвигателя строится на взаимодействии ротора ( другое название - якорь, подвижная часть электродвигателя) и статора (второе название - индуктор, неподвижная часть электродвигателя). Якорь имеет обмотку, проводящую ток. Статор представляет из себя электромагнит. Вращение ротора объясняется силой Ампера, которая действует на проводник с током в магнитном поле. Явление будет описано в следующем разделе.

📣Драйвер двигателя - это электронная схема, которая выступает посредником между управляющим устройством и двигателем.

💡Основная цель драйвера двигателя - управление устройством посредством преобразования электронных сигналов. Говоря простым языком, он делает поступающие сигналы-команды понятными для устройства.

⚠️Драйверы двигателя используются для контроля и регулирования скорости, направления и других параметров двигателя.

❓Драйверы могут иметь и дополнительные функции, такие как контроль перегрузок в цепи, защита от переполюсовки и другие.

🙂CSI BASE уже доступен на нашем сайте.

Ссылка: csifuture.com/csibase

🔔Раздел "Робототехника: наука о роботах" уже готов к использованию, раздел "Механизмы в роботах" проходит техническую проверку и появится на просторах интернета в течение пары часов.

⚠️Приносим вам свои извинения за задержку публикации статей раздела "Устройства в роботах". Пункт 3.4 выйдет уже 20 января в 12.00 по мск. Сейчас раздел насчитывает 40 статей, обещаем ускорить их публикацию. Все статьи будут также паралельно публиковаться на нашем сайте уже в ближайшие дни.

❓Трансмиссия - это совокупность механизмов, передающих крутящий момент от двигателя к ведомым элементам, что позволяет роботу двигаться.

⚠️Главная цель трансмиссии - преобразование и передача крутящего момента.

По способу передачи энергии выделяют 4 основных вида трансмиссии:

1️⃣Механическая трансмиссия - трансмиссия, где передача движения осуществляется за счет взаимодействия механических элементов, таких как зубчатые колеса, ремни и т.д. Является наиболее простым и экономичным видом трансмиссии.

2️⃣Гидромеханическая трансмиссия - трансмиссия, где передача движения осуществляется за счёт давления на трансмиссионную жидкость. Данный вид трансмиссии включает в себя гидротрансформатор.

3️⃣Гидравлическая трансмиссия - трансмиссия, где передача движения происходит за счёт давления на трансмиссионную жидкость, получаемого при работе гидравлического насоса.

4️⃣Электрическая трансмиссия - трансмиссия, где передача движения осуществляется за счёт совместного использования электрогенератора и электродвигателя.

🔔Важнейшей составной частью трансмиссии является коробка передач.

Основные функции коробки передач:

▪️Передача крутящего момента
▪️Изменение скорости вращения
▪️Корректировка движения

P.S Ещё раз извиняемся за задержку.

🔔Управление двигателем – довольно сложная система, состоящая из двух основных элементов – блока управления двигателем и микроконтроллера.

❓Блок управления двигателем – это основополагающее устройство, которое регулирует работу двигателя и служит неким промежуточным звеном между блоком питания, микроконтроллером и двигателем.

🤫Блок управления двигателем обеспечивает нужный ток при требуемом напряжении, однако не может контролировать параметры работы двигателя, к примеру, его скорость вращения.

💡Для этого блок управления двигателем взаимодействует с микроконтроллером, который и отвечает за контроль параметров работы устройства.

⚠️Микроконтроллер – это небольшой компьютер, обычно расположенный на единичной микросхеме, для управления чем-либо.

🙂Совместная работа, включающая в себя сбор данных с датчиков, преобразование этих сигналов в цифровые, проводимое блоком управления, и их обработка микроконтроллером, как раз таки и позволяет контролировать все параметры работы двигателя.

CSI BASE уже доступен на нашей сайте!

🔗Ссылка: csifuture.com/csibase

📣Сейчас уже опубликованы 2 раздела статей: "Робототехника: наука о роботах" и "Механизмы в роботах".

⌛В данный момент в нашем Telegram-канале CSI BASE продолжается публикация статей раздела "Устройства в роботах".

🥸Пока CSI BASE испытывает некоторые изменения и публикация статей немного задерживается, предлагаем вам к прочтению сборник статей из цикла "История робототехники" от CSI:

▪️История создания первого промышленного робота.
▪️Unimate: как устроен первый промышленный робот?
▪️Японское робототехническое чудо: как страна стала мировым центром робототехники?
▪️История советской робототехники.
▪️История советской промышленной робототехники.
▪️Робототехника: что нас ждёт в будущем? (4 части)
▪️История развития искусственного интеллекта.

🙂Приятного чтения!

🔔Привод — один из ключевых компонентов любого робота, обеспечивающий движение его составных частей. Он преобразует поступающую энергию в механическую работу, позволяя роботам выполнять самые различные задачи.

Привод включает в себя несколько ключевых компонентов:

▪️Двигатель 
▪️Трансмиссия
▪️Система управления
▪️Источник энергии 

Виды приводов:

1️⃣Электрические приводы – приводы, преобразующие электрическую энергию в механическое движение.

2️⃣Гидравлические приводы – приводы, преобразующие энергию потока жидкости в механическое движение.

3️⃣Пневматические приводы – приводы, преобразующие энергию сжатого воздуха в механическое движение.

4️⃣Пьезоэлектрические приводы – приводы, основанные на принципе пьезоэффекта.

❓Пьезоэффект – эффект, описывающий возможность отдельных материалов при их растяжении или сжатии создавать электрические заряды и наоборот. К слову, пьезоэффект бывает прямым (изменение формы материала приводит к возникновению электрических зарядов) и обратным (когда наличие электрического поля приводит к изменению формы материала).

В автомобилестроении выделяют 3 основных вида приводов:

1️⃣Передний привод – привод, приводящий в движение исключительно переднюю ось автомобиля. (задние колеса вращаются свободно)

2️⃣Задний привод – привод, приводящий в движение исключительно заднюю ось автомобиля. (передние колеса вращаются свободно)

3️⃣Полный привод – привод, приводящий в движение обе оси автомобиля.

👀Сервопривод — это устройство, предназначенное для управления положением механического объекта с помощью системы обратной связи.

❓Главная цель сервопривода — обеспечить точное и стабильное позиционирование объекта в пространстве.

🤫Сервоприводы могут работать с различными типами задач: от простого поворота до более сложных движений с регулировкой скорости, угла и усилия.

💡Работа сервопривода основывается на системе обратной связи. Когда сервопривод получает команду от контроллера (например, переместить объект на определённый угол), он начинает вращать двигатель до тех пор, пока датчик не зафиксирует, что положение достигло заданного значения. Это обеспечивается использованием датчиков угла или положения, передающих информацию обратно в систему управления. Таким образом, сервопривод автоматически корректирует своё движение, обеспечивая необходимое позиционирование.

❓Материнская плата – это центральная плата, на которой расположены ключевые электронные компоненты робота. Она обеспечивает связь между процессорами, сенсорами, механизмами и другими компонентами робота.

Основные функции материнской платы:

1️⃣Передача сигналов между электронными компонентами робота.

2️⃣Управление исполнительными механизмами

3️⃣Обработка поступающих от датчиков данных

4️⃣Обеспечение корректного энергоснабжения

5️⃣Возможность подключения внешних модулей

💡Материнская плата в робототехнике включает несколько ключевых элементов, которые обеспечивают ее функциональность:

1️⃣Процессор – основной элемент вычислительных устройств, выполняющий обработку данных. В роботах им могут выступать микроконтроллеры или одноплатные компьютеры (компьютер, собранный на одной печатной плате), к примеру, Raspberry Pi и Arduino.

2️⃣Модули памяти – элементы, необходимые для хранения программного кода и данных. Различают оперативные запоминающие устройства (ОЗУ или RAM) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или ROM). RAM используется для кратковременного хранения данных, ROM – для постоянного.

🔤Разъемы, используемые для подключения к материнской плате различных датчиков и исполнительных механизмов, используемых роботом.

4️⃣Порты, предназначенные в первую очередь для возможности взаимодействия с внешними устройствами.

5️⃣Система энергопитания – система электронных устройств, необходимая для контроля за подачей напряжения. Она может включать в себя преобразователи напряжения, защитные схемы и т.д. К примеру, на плате может располагаться схема защиты от подачи повышенного и пониженного напряжений (OVP – Over Voltage Protection / UVP – Under Voltage Protection), которая способна отключить блок питания при несоответствии значений напряжения допустимым нормам.

📣Для поддержания длительного тока в проводнике необходимо поддерживать постоянную разность потенциалов между его концами. Эту роль выполняют источники постоянного тока (постоянного напряжения) – гальванические элементы, аккумуляторы и генераторы постоянного тока.

💡Прежде чем перейти к определению данных понятий, давайте остановимся на понятии “’элемент”. Элемент – это электрическое устройство, которое при подключении к цепи генерирует разность потенциалов, что приводит к перетеканию ионов или заряда от более высокого потенциала к более низкому.

⚠️Элемент – это единичный источник энергии. При объединении нескольких элементов для создания разности потенциалов они образуют – батарею.

В зависимости от типа преобразования энергии их делят на 2 вида:

1️⃣Электролитический элемент, который преобразовывает электрическую энергию в химическую. Поток электронов протекает от анода к катоду.

2️⃣Электрохимический элемент, который преобразовывает химическую энергию в электрическую. Поток электронов протекает от катода к аноду.

Также элементы разделяют на первичные и вторичные:

1️⃣Первичные элементы – это элементы, который не перезаряжаются. Как только запасенная энергия в них расходуется, они становятся бесполезными, то есть по своей сути являются одноразовыми.

2️⃣Вторичные элементы – это перезаряжаемые элементы. Данные устройства основаны на принципе обратных химических реакций и являются более экономичными и экологически чистыми, чем первичные элементы.

📣Гальванический элемент – это устройство, в котором химическая реакция используется для производства электрической энергии.

❓Так, энергия Гиббса спонтанной окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую, которая используется для питания различных устройств.

🤫Принцип работы гальванического элемента рассмотрим на примере элемента Даниэля, изобретённого британским химиком Джоном Даниэлом в 1836 году.

💡Элемент Даниэля состоит из двух электродов: цинкового, помещенного в раствор ZnSO4 и медного, помещенного в раствор СuSO4. При этом цинковый электрод служит анодом, а медный — катодом. При химической реакции цинка с серной кислотой происходит окисление цинка с образованием ионов Zn2+ и выделением электронов. Эти электроны поступают на медный электрод, где происходит восстановление ионов в медь.

🥸Таким образом, в результате химической реакции в элементе Даниэля происходит перенос электронов через внешнюю цепь, что обеспечивает возникновение разности потенциалов между двумя электродами. Данный потенциал можно использовать для подачи тока во внешнюю цепь и питания электрических устройств.

❓Аккумулятор, как и гальванический элемент, является химическим источником постоянного тока. Однако, в отличие от гальванического элемента, образующиеся в аккумуляторах в результате химических реакций соединения, могут быть разложены и доведены до первичного состояния. Иными словами, химическая энергия превращается в электрическую и наоборот.

⚠️Принцип работы аккумулятора рассмотрим на примере свинцового аккумулятора, часто применяемого в автомобилестроении.

💡Свинцовый аккумулятор состоит из емкости, заполненной дистиллированной водой с добавлением серной кислоты, и двух пластин, помещенных в нее. Первая пластина изготовлена из чистого свинца, вторая – из диоксида свинца.

💯Чистый свинец является более активным веществом. Так, из свинцовой пластинки в раствор выходят положительно заряженные ионы, тем самым заряжая ее отрицательно.
Диоксид свинца менее активен и растворяется слабее. Молекулы диоксида свинца, соединяясь с молекулами воды, разделяются на отрицательные ионы OH и положительные ионы четырехвалентного свинца, которые в дальнейшем осаждаются на пластинке, заряжая ее положительно.

Процесс зарядки:

1️⃣При зарядке аккумулятора подается постоянное напряжение, что приводит к преобразованию химической энергии в электрическую.

2️⃣В процессе зарядки происходит реакция, в результате которой свинец окисляется до свинцового диоксида на положительной пластине, а на отрицательной пластине происходит обратная реакция, восстановление свинца.

3️⃣Это приводит к накоплению электрической энергии в аккумуляторе.

Процесс разрядки:

1️⃣ При использовании аккумулятора, химическая энергия превращается обратно в электрическую энергию.

2️⃣Свинцовый диоксид на положительной пластине и свинец на отрицательной пластине реагируют с серной кислотой, выделяя электроны.

❓Генератор постоянного тока - это электротехническое устройство, способное на выводе формировать напряжение с постоянной частотой.

Стандартный генератор постоянного тока состоит из 4 основных элементов:

▪️Пары разнополюсных магнитов
▪️Вращающейся проводящей рамки
▪️Коллектора (Нужен для выпрямления ЭДС)
▪️Щетки (Предназначены для передачи тока)

🤫Принцип работы генератора постоянного тока строится на законе электромагнитной индукции. Так, во вращающейся рамке, пересекающей магнитный поток, возникает ЭДС (электродвижущая сила) и в следствие этого - ток. Данный процесс будет подробно описан в следующем разделе CSI BASE.

📣Завтра начнется публикация одной из важнейших частей раздела "Устройства в роботах" - "Датчики".

❓Всего было подготовлено свыше 20 статей, охватывающих описание различных датчиков, часто использующихся при проектировании роботов.

‼️Просим вас, дорогие читатели, в случае нахождения неточностей или различного рода ошибок в наших статьях, указывать о них в комментариях или в личных сообщениях (@csi_robo). Мы стараемся сделать материал максимально информативным и точным, чего без вашей помощи нам не добиться.

❓Датчик - это аналог органам чувств человека у роботов. Датчики — это устройства, которые преобразуют физические параметры окружающей среды в электрические сигналы, которые получает и анализирует система управления робота.

Датчики разделяют на два основных вида:

1️⃣Внутренние датчики. Они отслеживают данные и параметры, касающиеся самого робота: скорость перемещения, ускорение, напряжение в системе питания.

2️⃣Внешние датчики. Они собирают информацию об окружающей среде, позволяя роботу ориентироваться в пространстве и взаимодействовать с объектами

💡Современные роботы используют целый комплекс внутренних и внешних датчиков для достижения поставленной перед ними задачи с максимальной эффективностью.

❓Датчик перемещения - датчик, который определяет величину перемещения робота (углового, линейного) и параметры его движения. Подобные датчики важны для навигации, управления и взаимодействия робота с пространственными объектами.

Датчики перемещения в целом делятся на 2 вида:

1️⃣Линейные датчики перемещения, определяющие основные параметры и величину перемещения линейно двигающихся объектов. По принципу действия их разделяют на 3 основных вида:

1️⃣🔤1️⃣Потенциометрические. В своей основе имеют электрический контур, содержащий потенциометр (переменный резистор). Детектор фиксирует изменение напряжения на выходе, которое в дальнейшем преобразуется в цифровой или аналоговый сигнал.

1️⃣🔤2️⃣Индуктивные. В своей основе имеют электрический контур, содержащий катушку индуктивности. Детектор фиксирует изменения индуктивности и преобразует полученные данные в цифровой или аналоговый  сигнал.

1️⃣🔤3️⃣Магнитострикционные.  Принцип работы основывается на эффекте магнитострикции, эффекта, при котором изменение состояния намагниченности тела приводит к изменению его размеров.

2️⃣Угловые датчики перемещения, определяющие  основные параметры и величину перемещения вращающихся тел.