РОБОТОТЕХНИКА

ДАТЧИКИ РАВНОВЕСИЯ

Тело стоящего или идущего человека нельзя рассматривать как устойчивую конструкцию. Поэтому возникает необходимость в очень чувствительном обнаружении поворотных движений

в любом направлении, Для того Чтобы можно было осуществить корректирующее действие [92].

У человека восприятие этих поворотных движений обеспечи­вается полукружными каналами внутреннего уха. Сигналы от по­лукружных каналов могут использоваться также для воздействия на мышцы глаза, с тем чтобы компенсировать необходимые движе­ния головы и тела. Благодаря этому на сетчатке может сохраняться устойчивое изображение.

Полукружные каналы человека состоят из гладкоствольной трубки диаметром приблизительно 0,28 мм, образующей замкну­тый контур, который заканчивается камерой, называемой «ампула». Внутри ампулы находится водонепроницаемая мембрана, извест­ная под названием «купула». Отклонения купулы, создаваемые давлением жидкости в трубке малого диаметра, вызывают передачу нейронных сигналов от волосковой клетки.

Вязкостное сопротивление потоку жидкости (или эндолимфы) линейно зависит от скорости потока, так как канал трубки глад­коствольный. Упругость купулы влияет на движение жидкости за счет воздействия на вязкостное трение и инерцию потока жидко­сти. В каждом внутреннем ухе имеются три взаимно перпендику­лярных полукружных канала. Хотя все три соединены общей ка­мерой, называемой «утрикула», взаимодействие их, по-видимому, не играет важной роли в функционировании этой системы полу­кружных каналов.

Общая зависимость выхода системы полукружных каналов от угловой скорости движения головы принимает вид

выходное отклонение kpT

угловая скорость движения головы (1 + рТ) (1 + рТ)

Значения 7 и Т здесь сильно различаются, так что эта зависи­мость начинает очень походить на характеристику электронного RC-усилителя. Обычные значения постоянных времени: Т ^ 10 с; 7"з 0,005 с. Следовательно, для быстрых движений выходные : отклонения пропорциональны угловой скорости движения го­ловы. Однако эта зависимость ухудшается при очень быстрых дви­жениях. Большая постоянная времени этой системы, по^всей ви­димости, позволяет системе медленно подходить к нулю^в конце движения.

Было бы очень желательным наличие какого-либо датчика уг­ловой скорости или углового ускорения, помещенного в «голове» робота, при условии, что такой датчик мог бы работать внутри обучающейся системы, с тем чтобы исключить необходимость со­здания системы управления для корректировки действий.

Для перемещения робота, установленного на колесах, пона­добятся только два датчика, расположенных под прямым углом, но роботу, имеющему какое-то подобие ног (например, роботу, преодолевающему препятствия, или роботу, который может под­ниматься вверх по ступенькам), потребуются, по крайней мере,

три датчика, осуществляющих функцию датчиков равновесия че­ловека. Подходящие датчики были созданы в результате работы над инерциальными навигационными системами, хотя для роботов, предназначенных для обычных условий Земли, требуются датчики, меньшие по размеру и гораздо менее точные.

8.4. ДРУГИЕ УСТРОЙСТВА

В последнее время работа над такими устройствами, как упра­вляемое оружие, вызвала некоторый интерес к приборам, которые применимы и в роботе для обнаружения изменений положения или нарушения равновесия. Например, подобные датчики тре­буются для гироориентиров, радиоантенных устройств и устройств, стабилизирующих фото - и кинокамеры. Типичный прибор ма­ятникового типа, используемый для этих целей, обеспечивает максимальный выходной сигнал 25 В и может обнаруживать от­клонения по каждой оси вплоть до угла в 1°. Требуемое возбужде­ние создается напряжением 50 В, частотой 400 Гц. Резистивная среда, используемая в таких датчиках, электролитическая [12]. Хотя эта среда обеспечивает большой выходной сигнал и высокую чувствительность, возникает значительное изменение выходного сигнала при изменении температуры. Кроме того, поскольку вяз­кость электролита также зависит от температуры, демпфирование маятникового элемента очень чувствительно к температуре; при больших колебаниях температуры вполне возможны изменения в отношении 10:1.

Этих трудностей можно избежать, если использовать датчик электромагнитного типа, так как его температурная чувствитель­ность мала, и выбрать жидкость с учетом только механического демпфирования. Однако полученные выходные напряжения здесь намного меньше, чем в датчике электролитического типа.

В других электролитических приборах, чтобы получить зна­чение отклонения от вертикали для гиросистем, обычно исполь­зовался эффект движения пузырька газа в электролите.

Пишущий эти строки сталкивался с электромагнитными дат­чиками для управления станками по двум осям. Они дают хоро­шую повторяемость, но довольно громоздки для роботов.

Сложные методы, которые использовались в авиации и упра­вляемых ракетах для определения положения и инерциальной навигации, по-видимому, идеально подходят для использования в роботах. Однако такой подход, возможно, привнесет излишнюю точность и чрезмерную стоимость. Дополнительные недостатки этих методов заключаются в большом времени, необходимом для запуска, и относительно больших энергетических затратах.

Можно использовать маятник, имеющий очень большой период колебаний и, как еще один вариант, маховик со слегка эксцен­трически смещенным центром тяжести. Однако, если ошибки, выз­ванные горизонтальными ускорениями, должны быть минимизи­

рованы, то могут потребоваться периоды, превышающие 30 с, и, кроме того, подшипники должны быть ударостойкими и обла­дать очень малым трением [19].

Возникающие угловые ускорения имеют значения порядка 1 рад/с2. Было предположено, что полукружные каналы могут рас­сматриваться действующими подобно интегрирующему угловому акселерометру. У человека вторая производная вертикальной составляющей скорости, по-видимому, также очень важна, что подтверждается странными ощущениями, возникающими при пе­реезде на автомобиле через «горбатый» мост или при поездке в плохо спроектированном лифте.

Был создан экспериментальный полукружной канал, который будет описан ниже.