|
Чорний Г. Г.
Все, що відбувається навколо нас і всередині нас - потоки автомобілів на вулицях, політ лайнера в небі, раптові катастрофічні настання льодовиків і обвали снігових лавин, згинання сталевого листа під штампом, вибухи вугільного пилу в шахтах, танець пилинок в сонячному промінні, ширяння орла і стрімке плавання дельфіна, невпинне биття серця і потік крові в живому організмі, - все пов'язано з рухом і взаємодією одних тіл і середовищ з іншими, зі зміною їх властивостей при русі.
Людина, володіючи розумом, прагне вивчити і зрозуміти те, що відбувається в природі, де всі об'єкти рухаються і взаємодіють один з іншим. Вивченням руху і взаємодії матеріальних об'єктів в природі і в людських творіннях займаються одна з найдавніших наук - механіка і її представники - вчені-механіки.
Механіка є науковою основою більшості, якщо не всіх, областей техніки: промисловості, будівництва, транспорту - сухопутного, водного, повітряного, космічного, техніки сільськогосподарського виробництва, військової техніки.
Розглянемо лише деякі приклади на підтвердження сказаного, які говорять про вторгнення механіки в області інших наук і про успіх і надзвичайної плідності такого вторгнення.
Механіка в створенні крокуючих роботів
Створення робототехнічних пристроїв, наділення їх все більш складними функціями - важлива перспективна завдання техніки, рішення якої немислиме без участі механіки.
Одним з важливих класів роботів є крокуючі роботи, призначені для переміщення по важкодоступній місцевості. На відміну від колісних і гусеничних машин, що мають безперервну колію, крокуючий апарат при русі використовує для опори лише деякі точки поверхні. Тому крокуючий апарат істотно менше пошкоджує грунтовий покрив, що може виявитися важливим для екології деяких районів (наприклад, тундри). Однак ця перевага крокуючого апарату породжує складність його конструкції. Велике число керованих ступенів свободи апарату призводить до необхідності використання високоефективних приводів, спеціальної організації стоп, що розсіюють енергію удару, і т.д. Система управління повинна забезпечити обробку інформації про місцевість, по якій рухається апарат, прийняття залежать від цієї інформації рішень про характер руху, контроль за їх реалізацією. Саме створення системи управління апаратом центральна проблема конструювання крокуючого робота.
Аналіз існуючих видів технічних приводів свідчить, що за адаптивним здібностям, економічності вони поступаються руховим апаратів тварин і людини.
Для одного з перших в світі крокуючих апаратів, створених в Інституті механіки МГУ в 70-ті роки минулого століття в лабораторії Е.А. Девянин, була обрана схема «шестіножкі» (рис.). Біологічним прообразом цієї схеми з'явився рудий тарган (прусак). Ноги таргана - універсальний біологічний об'єкт вивчення для створення крокуючої машини. Основним типом «ходи» таргана є така, при якій він в кожен момент спирається на три ноги, що утворюють трикутник, усередині якого розташовується центр ваги тіла. Це істотно полегшує проблему стабілізації, так як опорні фази апарату на три ноги статично стійкі.
Кожна кінцівку шестиногого крокуючого апарату має три ступені свободи і приводиться в рух за допомогою трьох двигунів з редукторами. На кінцівках встановлені позиційні датчики, які вимірюють кути повороту ланок ноги. Система управління двигунами крокуючого апарату побудована за ієрархічним принципом. Вона формує керуючі сигнали, які забезпечують рух апарату з автоматичною адаптацією до малих нерівностей поверхні, по командам оператора (або командам від верхнього рівня системи управління), що задає основні характеристики ходьби і руху корпуса апарату.
Після появи в в Інституті механіки МГУ «шестіножкі», яка отримала ім'я МАША (машини кроку), почалося змагання між США і СРСР, що було звичайним для того часу. З американської сторони виступав МакГі зі своєю командою, з радянської - професор Е.А. Девянин і його колеги. У відповідь на «Машу» МакГі і команда створили свою версію шестиногого робота (яка, проте, важила 136 кг). Маша містила багато піонерних наукових досягнень. Було, зокрема, встановлено, що без інформації про зусилля, що виникають між кожною ногою і опорною поверхнею, організувати «гладке» управління ходьбою практично неможливо. Так з'явилося так зване сило-моментное очувствленние, яке використовувалося в системі управління шестиногим і двоногими крокуючою апаратами, розробленими під керівництвом Д.Є. Охоцимський і Е.А. Девянин в Інституті механіки МГУ. Силове очувствленние істотно розширює коло завдань, що вирішуються крокуючою і маніпулятивними роботами.
Розпад СРСР, припинення фінансування розробок роботів в Росії призвели до того, що американці в робототехнічні змаганні вирвалися вперед. У 2005 році в Массачусетському технологічному інституті групою Boston Dynamics на замовлення міністерства оборони США був створений чотириногий робот «Big Dog» (рис.). Цей чотириногий робот може ходити, бігати і долати пересічену місцевість. Енергію роботу дає бензиновий мотор, що приводить в дію гідравлічну систему.
Ноги робота скопійовані з кінцівок тварин. В їх конструкцію включені амортизаційні елементи, що гасять енергію удару. Довжина робота становить 1 метр, зростання - 70 сантиметрів, вага - 75 кілограмів, що відповідає розмірам великої собаки. Робот забезпечений бортовим комп'ютером, керуючим його пересуванням відповідно до навколишнім оточенням. Численні сенсори дозволяють оператору робота відстежувати його місце розташування, контролювати стан бортових систем робота. Робот надзвичайно стійкий, при сторонніх впливах (наприклад, при сильному бічному ударі) він, подібно до великого собаку, відновлює вертикальне положення. «Кіберсобака» призначена для «служби» в морській піхоті США, може йти зі швидкістю п'ять кілометрів на годину і долати підйоми до 35 градусів. Може нести озброєння чи іншої вантаж загальною вагою до 50 кілограмів. Створення цієї машини було профінансовано агентством перспективних військових досліджень США (DARPA).
Методи балістичного управління ходьбою
Важливим класом крокуючих механізмів є двоногі машини. Ще у вісімдесятих роках минулого століття в Інституті механіки МГУ зайнялися створенням людиноподібного (антропоморфного) робота. Основна проблема і складність управління двоногій ходьбою - необхідність стабілізації нестійкої конфігурації, яка при вимкненому управлінні не може бути реалізована. (Зауважимо, що «відключення» вестибулярного апарату людини навіть на одну секунду призводить до падіння!)
Вчені-механіки досліджували механіко-математичну модель двоногого робота, що представляє собою плоский пятізвенная механізм, що складається з корпусу і двох однакових двухзвенних ніг без стоп. Ними була вирішена складна задача синтезу рухів двоногого крокуючого антропоморфного механізму. Була розроблена модель робота, яка отримала ім'я «Рикша». У рух вона наводилася за допомогою двох ніг, і одночасно мала ще й два колеса.
Ходьба апарату, як і людини, являє собою послідовність чергуються одноопорного і двухопорной фаз. У одноопорного фазі апарат спирається на одну ногу, інша нога при цьому переноситься. У двухопорной фазі апарат спирається на обидві ноги. Одноопорне рух вважається балістичним (пасивним), тобто що відбувається без докладання якихось активних дій (моментів) в шарнірах механізму. Двухопорного фаза вважається миттєвої, так що керуючі моменти в шарнірах є імпульсними, що викликають стрибкоподібне зміна швидкостей ланок. Ходьба сконструйованого макета підтвердила застосовність запропонованого методу балістичного управління ходьбою.
У світі з'явилися вельми амбітні програми створення андропоморфних роботів. Так, організатори і учасники РобоКубка, проведеного в Японії міжнародного змагання міні-роботів, що імітують футбольну гру, - мають намір до 2050 року створити команду повністю автономних роботів-андроїдів, здатних виграти у команди - чемпіона світу з футболу серед людей.
США в своїх збройних силах намір до того ж терміну повністю виключити участь людини на поле бою, замінивши його різного виду «інтелектуальними» роботами.
Вічно нова ньютоновская механіка
Завершу статтю панегіриком на адресу механіки.
На сучасному етапі прогрес наукового знання значною мірою визначається проникненням в різні галузі науки методів математичного моделювання.
Слід пам'ятати, що метод математичного моделювання виник в ньютонівської механіці, з успіхом випробуваний самим Ньютоном на ряді серйозних завдань. Розробка методології створення складних математичних моделей належить механікам, а потім була послідовно застосована фізиками, геофізики, хіміками, біологами, лінгвістами, а останнім часом - соціологами і економістами. Моделі механіки надзвичайно наочні. Ряд відомих фізиків минулого стверджував приблизно наступне: «Жодне фізичне явище не може вважатися до кінця зрозумілим, поки воно не сформульовано в термінах механіки».
Чудовий механік і математик академік Олексій Миколайович Крилов писав у передмові до його російського перекладу основного праці Ньютона: «« Начала Натуральной Філософії »Ньютона складають непорушне підставу Механіки, Теоретичною Астрономії і Фізики». Лагранж назвав цей твір «найбільшим з творів людського розуму». Додам: ньютоновская механіка - неперевершене досягнення фізики (натуральної філософії) всієї історії людської цивілізації. Вона вічна. На її могутньому дереві з'являються нові і нові гілки. Серед них - і гілки, які виросли з щеплених на це древо живців саджанців, вирощених в лоні інших природних наук.
|