❓Кнопка - это механический ключ, замыкающий или размыкающий электрическую цепь.

Кнопка используется в самых различных целях:
▪️Включение и выключение устройств
▪️Запуск программ и алгоритмов
▪️Переключение режимов работы
▪️Экстренное прерывание работы устройства

В робототехнике выделяют следующие виды кнопок:

1️⃣Тактовая кнопка, замыкающая цепь при нажатии. Как только палец будет отпущен - цепь снова разомкнется и ток перестанет течь.

2️⃣Кнопка на размыкание, которая при обычном режиме замыкает цепь, а при нажатии на нее - размыкает. Подобный вид ключа получил широкое применение в целях создания аварийных выключателей.

3️⃣Кнопка с фиксацией, которая сохраняет свое положение и размыкает или замыкает цепь вплоть до своего следующего нажатия. Удобна для включения определенного алгоритма программы, к слову, без необходимости удержания пальца в нажатом состоянии кнопки.

💡Стоит отметить, что при подключении к микроконтроллеру, один вывод кнопки подключается к земле (GND), а второй - к цифровому входу контроллера.

❓Реле - это устройство, которое включает или отключает электрическую цепь при помощи электромагнита, срабатывая автоматически при подаче тока.

👀Реле включает в себя катушку (электромагнит, создающий магнитное поле, когда по нему идёт ток), якорь (подвижная часть, притягиваемая к магниту) и контакты (проводники, способные замыкаться и размыкаться)

💡Пока катушка обесточена, контакты разомкнуты (цепь выключена). Как только на катушку подаётся ток — она становится магнитом, притягивая якорь, который замыкает контакт. Ток течет к нагрузке (к примеру, мотору). Когда ток в катушке пропадает — магнитное поле, создаваемое как раз таки током, исчезает, контакты возвращаются в исходное положение. Ток не течет.

❓"Но зачем нужно реле, если оно включается под действием тока и все можно подключить напрямую?" - спросите вы. Дело в том, что реле позволяет управлять мощной цепью с помощью слабого управляющего сигнала.

🤫К примеру, выявляется необходимость в подключения в цепь лампочки на 220В, а контролировать ее включение и выключение хочется через микроконтроллер, у которого на выходе напряжение всего 5В и ток сравнительно небольшой. Микроконтроллер не способен напрямую подключить такой довольно мощный электроприбор.

🙂Данную задачу решает реле: небольшой ток от микроконтроллера идёт на катушку реле, происходит вышеописанный процесс, который позволяют замкнуть мощную цепь и успешно, к примеру, включить лампочку на 220В.

❓Транзистор - это электронный компонент, работающий как электрический ключ и позволяющий усиливать электрический сигнал.

👀Рассмотрим принцип работы транзистора на примере транзистора с биполярным переходом (BJT) - одного из основных видов транзисторов

⚠️В основе его функционирования лежат 3 элемента: эмиттер, база и коллектор, которые располагаются в такой же последовательности, рассматривая схему с левого края.

❗️Транзистор состоит из трёх слоев: два n-типа (эмиттер и коллектор) по бокам и один p-тип (база) по середине.

💡P-тип имеет недостаток электронов и некие "дырки" (пустые места, оставленные электронами), а n-тип избыток электронов, часть из которых начинает заполнять дырки на p-слое, происходит процесс рекомбинации. В n-области атомы, потерявшие электрон, становятся положительно заряженными ионами (донорами), а в p-области атомы, принявшие электрон, становятся отрицательно заряженными ионами (акцепторами). В итоге на двух границах остаются заряженные ионы, которые создают электрическое поле. Появляются два энергетических барьера, которые препятствуют протеканию электронов.

🤫Когда мы подаем небольшое напряжение на базу (p-слой), энергетический барьер снижается, позволяя электронам течь от эмиттера к коллектору. Таким образом транзистор выступает неким электронным ключом, который пропускает ток исключительно при подаче небольшого напряжения на базу.

🙂Транзистор - величайшее изобретение человечества, на котором работает вся современная электроника.

P.S Подробнее о p-n переходе читайте в статье про диод (Пункт 3.25)

Дополнительные 15 статей раздела "Устройства в роботах" успешно опубликованы.

🙂В скором времени статьи появятся и на страничке сайта нашего проекта CSI BASE

👀 Остаётся ещё несколько статей из цикла третьего раздела "Устройства в роботах" CSI BASE, после чего мы начинаем публикацию статей раздела "Физика в робототехнике"

‼️Дополнительные 15 статей раздела "Устройства в роботах", ранее опубликованные в нашем Telegram-канале, будут доступны на нашем сайте в течение завтрашнего дня.

👀В среду начнется публикация оставшихся статей раздела.

🤫Уже на следующей неделе мы начнем публикация последнего утвержденного на данный момент раздела - "Физика в робототехнике" . Раздел расскажет о всех основных физических явлениях и законах, которые лежат в основе функционирования роботов.

‼️Последние 15 статей раздела "Устройства в роботах" проекта CSI BASE доступны на нашем сайте.

👀Завтра мы начнем публикацию оставшихся статей раздела.

🙂Мы работаем над созданием дополнительного визуализированного материала к нашим статьям и будем постепенно добавлять его к текстовой информации на страницах нашего сайта. К примеру, в статье "Диод" была добавлена ссылка на страничку сайта с визуализацией процесса p-n перехода, разработанного нами. Ссылка: csifuture.com/csibase-pntransition

📣Инфракрасные датчики (ИК-датчики) - одни из наиболее популярных датчиков в современной робототехнике. ИК-датчик - это электронное устройство, которое использует инфракрасное излучение для обнаружения объектов, измерения расстояния и фиксации движения.

👀Инфракрасное излучение - это излучение, которое испускают все объекты, температура которых выше абсолютного нуля (0 Кельвинов или -273°С).

🤫Абсолютный нуль – температура, при которой прекращается тепловое движение молекул. О нем ещё будет упомянуто в следующем разделе CSI BASE (термодинамика)

🔔Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза, однако его способен уловить ИК-датчик.

Как правило, ИК-датчик состоит из двух компонентов:

1️⃣Излучатель - инфракрасный светодиод. (Пункт 3.26)

2️⃣Приемник - обычно, фотодиод или фототранзистор (Пункт 3.16)

❓Когда инфракрасный луч сталкивается с препятствием, часть его отражается и попадает в приемник. Анализируя интенсивность отраженного луча, можно судить о наличии объекта на его пути и о расстоянии до него.

‼️Важно помнить, что белая поверхность отражает большую часть инфракрасного излучения, в то время как черная поверхность наоборот поглощает .

ИК-датчики разделяют на два основных вида:

1️⃣Активные ИК-датчики, которые испускают инфракрасное излучение и улавливают его отражения, сочетая в себе как приемник, так и излучатель.

2️⃣Пассивные ИК-датчики, не излучающие инфракрасное излучение, имеющие в своей конструкции исключительно приемник.

🙂ИК-датчики получили широкое распространение в целях обнаружения движения, измерения расстояния до объектов, следования по чёрной линии (дисциплина робототехнических соревнований) и избегания препятствий.

‼️Публикация статей раздела "Устройства в роботах" завершится в течение этой недели.

👀Публикация статей раздела "Физика в робототехнике", первые пункты которого будут посвящены кинематике, начнется в вторник.

🙂Извиняемся за задержку, связанную с доработкой комплекса статей.

UPD. По техническим причинам публикация статей будет осуществлена в течение завтрашнего дня. Приносим свои извинения за очередную задержку

❓Динамик  — это устройство для преобразования электрического сигнала в звуковые волны, обеспечивающее возможность звукового взаимодействия между роботом и человеком.

⚠️Принцип работы динамика основан на преобразовании электрической энергии в механические колебания с последующим созданием акустических волн, излучаемых в окружающую среду.

👀Основной элемент динамика — это подвижная катушка, закреплённая на легкой мембране (диффузоре) и размещённая в постоянном магнитном поле. Когда на катушку подаётся переменный электрический ток, он создаёт переменное магнитное поле вокруг катушки. Это поле взаимодействует с полем постоянного магнита, вызывая механические колебания катушки вперёд и назад. Поскольку катушка жестко соединена с диффузором, тот начинает колебаться с той же частотой, с какой меняется ток.

💡Эти механические колебания мембраны создают звуковые волны в окружающем воздухе. Частота колебаний определяет высоту звука, а амплитуда — его громкость. Таким образом, электрический аудиосигнал преобразуется в акустическую волну, которую мы слышим.

🤫Динамик применятся для озвучивания речевых команд, воспроизведения сигналов и уведомлений, реализации аудиоинтерфейсов в системах человек-машина.

🙂Все физические формулы, такие как сила Ампера, лежащая в основе работы динамика, будут приведены в следующем разделе.

‼️Схема и описание работы динамика к ней приведены в комментариях к посту.

🔔Конденсатор - это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

👀Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых металлических пластин - обкладок - и слоя диэлектрика (материал, не проводящий электрический ток), толщина которого мала по сравнения с размерами пластин.

❓И так, конденсатор состоит из двух пластин, электродов, способных принимать и удерживать заряды. Одна из пластин заряжается положительно, то есть имеет дефицит электронов. Другая наоборот имеет избыток электронов, заряжаясь при этом отрицательно. Между пластинами возникает электрическое поле, в котором и хранится энергия.

🤫Ток через конденсатор протекает только в момент зарядки или разрядки. В установившемся режиме, когда все параметры в цепи остаются неизменными с течением времени, а следовательно и заряд на конденсаторе постоянен, сила тока, равная изменению величины заряда ко времени, через него равна нулю, что эквивалентно разрыву цепи. Стоит отметить, что конденсатор заряжен, когда напряжение на его обкладках станет равным напряжению источника питания.

💡Электроёмкость конденсатора - это физическая величина, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд при наложении на его обкладки определенной разности потенциалов или напряжения. Важно отметить, что конденсаторы между собой можно соединять последовательно или параллельно, получая определенную общую электроёмкость системы конденсаторов (следующий раздел).

✔️Конденсаторы используются для создания импульсного тока и широко применяются в электротехнических устройствах.

‼️Все формулы и физические явления, лежащие в основе работы конденсаторов, будут описаны в следующем разделе CSI BASE.

P.S Статья про катушку индуктивности, которая на данный момент станет последней статьей раздела "Устройства в роботах" будет опубликована завтра. В течение завтрашнего дня последние 4 статьи раздела "Устройства в роботах" будут доступны на нашем сайте. Первые статьи раздела "Физика в робототехнике" будут опубликованы также в течение завтрашнего дня.

📣Катушка индуктивности - это пассивный элемент электрических цепей, способный накапливать энергию в магнитном поле при прохождении через нее электрического тока.

❓Магнитное поле - это вид материи, существующий вокруг магнитов и движущихся зарядов (следующий раздел CSI BASE). Магнитное поле порождается только движущимися зарядами и распространяется с конечной скоростью, равной скорости света.

⚠️Индуктивность - это свойство проводника препятствовать изменению проходящего через него тока.

💡Катушка представляет собой проводник, намотанный спиралью. Когда по ней протекает ток, вокруг витков возникает магнитное поле. Для усиления магнитного поля и увеличения индуктивности в катушках используется сердечник.

👀При изменении тока во времени это магнитное поле изменяется, что, по закону Фарадея, создаёт ЭДС самоиндукции, препятствующую изменению тока.

Примеры:

1️⃣Когда ток включается, катушка индуктивности противодействует его резкому возрастанию. Создается ЭДС самоиндукции, которая препятствует нарастанию тока.

2️⃣В цепи постоянного тока катушка индуктивности ведёт себя также, как и обычный провод.

3️⃣Когда ток выключается, катушка способна ещё некоторое время поддерживать ток в цепи, отдавая накопленную энергию магнитного поля в виде ЭДС.

4️⃣Катушки индуктивности в цепи переменного тока имеют реактивное сопротивление (следующий раздел CSI BASE), пропорциональное частоте переменного тока и препятствующее протеканию тока в цепи.

🥸Катушки индуктивности применяются для создания магнитного поля, сглаживания тока или создания колебательных контуров.

‼️Все формулы и физические явления, связанные с работой катушки индуктивности будут описаны в следующем разделе CSI BASE

👀Раздел "Устройства в роботах" на данный момент полностью завершён.

🤫Последние статьи раздела загружаются на наш сайт и скоро будут доступны к прочтению.

‼️CSI начинает публикацию цикла статей нового раздела "Физика в робототехнике"

📣Робототехника — это многогранная область, объединяющая в себе механику, электронику, программирование и искусственный интеллект. Однако в самом её основании лежит физика — наука, без которой невозможна работа ни одного робота. Физические законы определяют, как робот взаимодействует с окружающим миром: как он перемещается, захватывает предметы, сохраняет равновесие, воспринимает сигналы и реагирует на них.

👀В этом разделе мы рассмотрим ключевые физические принципы, лежащие в основе работы роботов. Мы разберём, как используются законы механики при проектировании приводов и манипуляторов, каким образом передаются силы и их моменты в подвижных системах, и почему электромагнитные явления так важны для управления моторами и сенсорами. Также затронем понятия трения, инерции, центра масс и устойчивости — всё то, что необходимо учитывать при создании устойчивых и функциональных роботов.

‼️Напоминаем вам, дорогие читатели, что главная цель CSI - публикация качественного и достоверного материала, потому наша команда многократно анализирует и проверяет правильность всей публикуемой информации. При нахождении ошибок и неточностей в наших статьях, просьба обращаться к нам по почте [email protected] или в личных сообщениях каналу в Telegram

🚫CSI ни в коем случае не претендует на образовательный характер публикуемых статей в рамках проекта CSI BASE. Все они носят исключительно информативный характер.

📣Система СИ - это международная система единиц, принятая в большинстве стран мира и созданная для стандартизации измерений и обеспечения единства расчетов.

🔍Международная система единиц (СИ) была принята в 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам.

👀Система СИ определяет семь основных единиц физических величин, производные от них единицы и набор приставок.

🤫В рамках СИ считается, что эти 7 основных единиц физических величин имеют независимую размерность, то есть ни одна из основных единиц не может быть получена из других. К ним относятся:

▪️Килограмм (кг) - масса
▪️Секунда (с) - время
▪️Метр (м) - длина
▪️Ампер (А) - сила тока
▪️Кельвин (К) - температура
▪️Моль (моль) - количество вещества
▪️Кандела (кд) - сила света

💡Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление. К ним относятся: Ньютон (Н) - единица силы, Паскаль (Па) - единица давления, Джоуль (Дж) - единица энергии и т.д

⚠️Для удобства записи ответа часто приходится использовать дольные (уменьшающие) и кратные (увеличивающие) приставки

Основные кратные и дольные приставки:

▪️пико (п) - 10^(-12)
▪️нано (н) - 10^(-9)
▪️микро (мк) - 10^(-6)
▪️милли (м) - 10^(-3)
▪️санти (с) - 10^(-2)
▪️деци (д) - 10^(-1)
▪️дека (да) - 10^1
▪️гекто (г) - 10^2
▪️кило (к) - 10^3
▪️мега (М) - 10^6
▪️гига (Г) - 10^9
▪️тера (Т) - 10^12

📣Для старта изучения кинематики введем понятие "механическое движение".

🔔Механическое движение – это изменение положения тела с течением времени в пространстве относительно других тел. Стоит отметить, что всякое тело имеет определенные размеры, однако если его размеры во много раз меньше расстояния до других тел, то размерами тела можно пренебречь и считать его материальной точкой. К примеру, при своем движении из города А в город Б автомобиль будет рассматриваться как материальная точка, т.к расстояние между этими двумя населенными пунктами гораздо больше, чем размеры машины, которыми в данном случае можно пренебречь.

⚠️Важно заметить, что характеристика движения тела зависит от того, откуда мы на него смотрим, поэтому для описания движения объектов вводится понятие системы отсчета (СО).

❓Система отсчета (СО) — совокупность тела отсчёта, связанной с ним системы координат и прибора для измерения времени. К примеру, рассмотрим движение поезда. Человек А, наблюдающий за ним с вокзала, стоит неподвижно и видит, что поезд тронулся с места и приобрел определенную скорость. Однако человек Б не согласен с этим, т.к он находится внутри поезда, а он относительно его не движется. Так кто же прав? – Правы оба. Если выбрать СО относительно человека А, то поезд действительно движется, ну а если относительно человека Б, то поезд будет находиться в состоянии покоя, т.к человек находится в поезде и не имеет относительно него никакого движения.

🤫При движении тела мы часто можем встретить такие термины, как ‘’путь и “перемещение”. На первый взгляд, данные слова имеют один и тот же смысл, однако в физике имеется фундаментальное отличие между ними.

💡Перемещаясь с течением времени из одной точки в другую, тело описывает в определенной СО какую-то линию – траекторию. Пройденный путь равен длине траектории.

‼️Перемещение тела – это направленный отрезок прямой, соединяющий начальное и конечное положение объекта. Важно отметить, что перемещение является векторной величиной.

👀К примеру, представим человека, бегающего по стадиону. Бегун начинает движение из точки А и, обежав стадион, возвращается в исходную точку. Человек пробежал определенное расстояние, однако его перемещение будет равняться нулю, так как начальное и конечное положение бегуна в пространстве совпадает.

⁉️Введем еще один термин – скорость. Скорость – это векторная величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения тела в пространстве.

1️⃣При равномерном движении (скорость является постоянной) путь L может быть найден по формуле:

L = V * t  , где V – скорость тела, t – время движения.

2️⃣Формула для нахождения координаты тела при равномерном прямолинейном движении:

x = x(0) + Vx * t   , где x(0) - начальное положение тела, Vx - скорость тела по оси Ох.

📣В прошлом пункте мы ввели термин ''скорость”, характеризующий быстроту перемещения тела в пространстве. Важно знать, что скорость можно разделить на 2 вида: среднюю и мгновенную.

❓Мгновенная скорость – это понятие, описывающее движение тела в определенный момент времени и в данной точке пространства. Мгновенная скорость в момент времени t есть производная (следующий краткий раздел "Математика в робототехнике") от пути по времени:

V(t) = S’(t)   , где S – путь.

💡Средняя скорость – это отношение длины всего пути, пройденного телом, ко времени, затраченному на это.  Формула нахождения средней скорости:

V (ср.) = L(полный) / t(полное)

V (ср.) = (L1 + L2 + L3 + ..... + Ln) / (t1 + t2 + t3 + ..... + tn)

👀Таким образом, мгновенная скорость описывает движение тела на конкретном участке движения, а средняя скорость характеризует все движение в целом.

👀В предыдущих пунктах мы использовали термин “равномерное движение”, то есть считали, что тело движется с постоянной скоростью. Однако в современном мире далеко не все тела двигаются равномерно. Человек может ускорить или замедлить свой шаг, а автомобиль увеличивает скорость на трассе, но уменьшает ее при въезде в населенный пункт. Подобное движение, когда скорость изменяется от одного значения к другому, описывается новым термином - ускорением.

❓Ускорение – это векторная физическая величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло. Стоит отметить, что ускорение - это производная скорости по времени. Ускорение обозначается английской буквой “а” и измеряется в метрах на секунду к квадрате (м/с^2). Формула нахождения ускорения тела:

а = ∆V / ∆t = (V - V0) / t
, где V – конечная скорость, V0 – начальная скорость, t - время,за которое это изменение произошло.

💡Мы подробно разберем равноускоренное (равнопеременное) прямолинейной движение, когда тело движется с постоянным ускорением.  При равнопеременном движении скорость тела изменяется на одинаковую величину за равные промежутки времени.

Из предыдущей формулы, следует другая более распространенная формула, описывающая изменение скорости со временем при равноускоренном движении тела:

V = V0 + a*t  , где V - конечная скорость, V0 - начальная скорость, t - время, за которое это изменение произошло.

Формулы для нахождения пройденного пути при равноускоренном прямолинейном движении:

S = V0 * t + at² / 2 (1)
S = (V² - V0²) / 2a
S = V(ср.)*t = (V + V0) * t / 2

🤫В последней формуле был использован важный факт – при равноускоренном движении среднюю скорость можно рассчитать, как среднее арифметическое начальных и конечных скоростей.

Координата тела при равноускоренном движении меняется по закону:

(2) x = x0 + V0(х) * t + a(x) * t² / 2 , где V0(x) - начальная скорость тела по оси Ох, a(x) - ускорение тела по оси Ох, x0 - начальная координата тела.

⚠️Важно отметить, что при торможении знак ускорения тела в формулах (1) и (2) поменяется с + на - .