КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ «ЧЕРЕПАХА»

       Пионером в практическом моделировании поведения живых существ по праву считается английский нейрофизиолог Уолтер Грей. У его модели «черепашки» можно выработать «условный рефлекс». Она сконструирована так, что, наталкиваясь на препятствие, поворачивает обратно. В момент столкновения ее с препятствием раздается свисток. Так повторяется несколько раз, после чего «черепашка» «научается» поворачивать обратно по свистку, еще не коснувшись препятствия. Свисток указывает «черепашке» на препятствие, отсылает ее к этому предмету, сигнализирует о нем. И в этом случае в качестве объекта действия выступает не сам свисток, а другой предмет – препятствие, от встречи с которым уклоняется черепашка и о наличии которого говорит свисток и тп. Кроме него стоит упомянуть работы Беркли с его «белкой» «черепашек» Эшби. И приведённую ниже отечественную модель.

     Эта кибернетическая игрушка питается от трех батареек для карманного фонаря; такого комплекта хватает на три часа непрерывной работы. «Черепаха» выполняет следующие операции: при включении питания работает ведущий двигатель, и она идет прямо вперед; если при своем движении «черепаха» ударяется о препятствие, она отступает назад, и одновременно с этим включается второй мотор, который за­ставляет ее свернуть в сторону от препятствия. При попада­нии света в правый глаз «Черепаха» поворачивает направо, а при засвете левого глаза — налево, то есть она всегда стремится к свету. Если игрушка «услышит» громкий звук, то она «пугается» и замирает на несколько секунд, а затем снова идет вперед.

«Черепаха» может вырабатывать условный рефлекс. Для этого при ее столкновении с препятствием надо подать сви­сток; тогда механизм модели как бы запоминает, что препят­ствие встречается на пути после предупредительного свистка, и при следующем свистке «черепаха» уже не останавливается, а сворачивает от воображаемого препятствия.

«Черепаха» собрана на транзисторах и миниатюрных ре­ле постоянного тока типа «РЭС-10» и «РЭС-12» и состоит из нескольких узлов: узла звука, узла управления ведущим дви­гателем, управления мотором поворота, а также светового и «памяти».

Наиболее сложным является узел звука, который состоит из двух частей: собственно звукового реле и электронного реле времени, определяющего время остановки «черепахи». Звуковое реле (рис. 67) собрано на четырех транзисторах типа. П14 и работает следующим образом: сигналы с микро­фона поступают на первый каскад усилителя напряжения

Рис. 67. Схема звукового узла «черепахи».

звуковой частоты. Он собран по обычной схеме с заземлен­ным эмиттером.

Усиленные сигналы поступают на следующий каскад, вы­полненный на транзисторе Т2. В коллекторную цепь этого каскада включен резонансный контур, составленный из индук­тивности и конденсатора С3. Этот контур настроен на часто­ту 800 гц, благодаря чему усиление каскада будет наиболь­шим на частотах 600 — 1000 гц. Это необходимо для того, чтобы «черепаха» не реагировала на собственные шумы, ча­стота которых лежит в пределах 50 — 200 гц.

Последний каскад усиления по напряжению собран на транзисторе Т3. В коллектор этого транзистора включен вы­ходной трансформатор, первичная обмотка которого также настраивается на частоту 800 гц при помощи конденсато­ра C5. Переменное напряжение, снимаемое со вторичной об­мотки трансформатора, выпрямляется мостиковым выпрями­телем, собранным на полупроводниковых диодах.

Выпрямленное напряжение в отрицательной полярности

рис. 68.

поступает на базу транзистора Т4, в коллекторную цепь кото­рого включено исполнительное реле. При возрастании отри­цательного потенциала на базе этого транзистора коллектор­ный ток его резко увеличивается, и реле срабатывает. Кон­такты К1 приводят в действие транзисторное реле времени, собранное на транзисторах Т5 и Т6 (рис. 68). Реле времени представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока на транзисторах прямой и обратной приводимости с большим коэффициентом усиления.

База первого каскада соединена с минусом источника пита­ния через R — С-цепочку. Когда конденсатор C6 разряжен, на базе транзистора Т5 отсутствует напряжение смещения и ток коллектора мал. Кратковременное замыкание накоротко кон­денсатора С6 контактами К1а при срабатывании реле P1 вы­зывает увеличение коллекторного тока первого каскада. Это увеличение, в свою очередь, вызывает срабатывание реле, включенного в коллектор второго транзистора. Контакты ре­ле Р4 будут оставаться замкнутыми до тех пор, пока конден­сатор не разрядится через сопротивление R9 и участок ба­за-эмиттер первого каскада. Время выдержки зависит от величины конденсатора С6, сопротивления R9 и коэффициента усиления примененных транзисторов.

Реле P4 имеет две пары контактов: одна пара нормально закрытых, а другая — открытых. Нормально закрытые кон­такты K 4а включают цепь питания моторов, а нормально от­крытые контакты К4б работают в логической схеме совпа­дений «И», совместно с контактами К3 включая «память» «черепахи». Таким образом, при свистке «черепаха» останав­ливается на несколько секунд.

При столкновении с препятствием срабатывают контак­ты К11, связанные с буферами. Они закорачивают конденса­тор C7 и тем самым включают реле времени, выполненное на транзисторах Т7 и Т8. Работа этой схемы аналогична выше­описанной и пояснении не требует. В коллектор транзисто­ра Т8 включены два электромеханических реле: Р2 и Р3. Ре­ле Р2 реверсирует ведущий и поворотный двигатели — «чере­паха» движется назад и поворачивает в сторону. Поворот происходит следующим образом; при ходе вперед ток через поворотный мотор не идет, так как диод Д1 включен в запор­ном направлении. При срабатывании реле Р2 полярность питающего двигатель напряжения меняется и диод Д1 про­водит ток. Поворотный мотор начинает вращаться и переме­щает кулачок, связанный с его осью. Кулачок через систему рычагов поворачивает переднее колесо. В конце хода кулач­ка установлен упорный контакт К9, который выключает пита ние двигателя. Рулевой механизм имеет три таких упорных контакта, два из которых (K9 и К10) поставлены в крайних положениях кулачка и один в среднем (К8), когда «черепаха» идет прямо. Как только реле Р2 отпустит якорь, полярность питающего двигатель напряжения вновь изменится, и ток пойдет по цени: диод Д2 — замкнутый контакт K 8 — поворот­ный мотор ПМ. до тех пор, пока кулачок не разомкнет кон­такт К8. Реле Р3 работает в логической схеме совпадений «И» для включения электронной «памяти».

«Память» «черепахи» представляет собой электронное реле времени, работа которого рассчитана на 40—60 секунд. Сра­батывает оно только тогда, когда столкновение с преградой и звук (свист) происходят одновременно, то есть когда кон­такты и K3 и K.4б оба замкнуты и закорачивают конденса­тор C5. Реле Р6 контактами К6, блокирует цепь питания дви­гателей. Теперь при подаче свистка «черепаха» не будет оста­навливаться, а пойдет назад, так как реле Р2 и Р3 срабаты­вают через контакты К4а, а питание моторов блокировано.

На свет «черепаха» реагирует благодаря фотосопротив лениям, которые подключены к усилителям постоянного тока на транзисторах Т11 и Т12. При освещении фотосопротивле ния ярким светом отрицательный потенциал на базе того или другого транзистора увеличивается, что приводит к сра­батыванию реле Р5 или P7. Контакты реле P7 включены параллельно контактам K8, то есть к упорным контактам ру­левого механизма, и при их замыкании «черепаха» начинает двигаться влево. При срабатывании Р5 меняется поляр­ность питания рулевого мотора, диод Д, проводит ток в пря­мом направлении, и «черепаха» движется вправо. «Черепаха»смонтирована на шасси эллиптической формы размерами 240х180х3 мм. Размещение моторов, батарей питания, двигателей и электронных блоков показано на рисунках 69, 70, 71.

В качестве привода использованы двигатели постоянного тока типа ДИП-1, которые потребляют небольшую мощность и развивают усилие, достаточное для движения игрушки и поворота её. Ведущий мотор передаёт вращение на колесо через червячный редуктор с замедлением 1:30, червячная шестерня имеет непосредственное сцепление с колесом. Необходимо отметить, что механические работы должны быть выполнены очень тщательно:

Рис. 69. «Черепаха» со снятым «панцирем» (вид слева).

передачи от двигателей должны легко вращаться и не иметь люфтов, колеса желательно укрепить в миниатюрных под­шипниках и т. д.

Транзисторы Т6, T8, Т10—обратной проводимости, типа П8 или П101, остальные—типа П13 или П14. Транзисторы под­бираются с малым начальным током коллектора и усилением не менее 20. Сопротивления и конденсаторы — малогаба­ритные. Реле P7 и Р3 — миниатюрные, типа РЭС-9, реле Р2, Р5 и Р6 — также типа РЭС-9, а реле Р1—типа РЭС-10.

Все реле подвергаются переделке: ослабляются пружины, приближаются контакты для того, чтобы уменьшить ток сра­батывания и понизить напряжение питания. После переделки ток срабатывания уменьшается в 2,5 раза. Эту операцию также нужно производить с достаточной тщательностью и ак­куратностью. Для устранения помех от двигателей звуковой

Рис. 70. «Черепаха» со снятым «панцирем» (вид справа).

узел питается от трех последователь­но включенных ак­кумуляторов ти­па «Д-0,06». Эти аккумуляторы по­мещаются в са­модельную кассету с выводами для подзарядки.

Электролитические конденсаторы должны быть подо­браны с небольшим током утечки. Мик­рофон — капсюль типа «ДЭМШ». Трансформатор име­ет сердечник сечени­ем 1 см 2. Данные его обмоток: пер­вичная — 500 витков ПЭ-0,1; вторичная – 150 витков ПЭ-0,18.

Налаживание «черепахи» начина­ют с настройки звукового узла. Подключают питание и на вход подают сигнал от звукового генератора с частотой 900 гц и амплитудой 5 мв. Подбором емкостей конденсаторов С3 и C5 добиваются срабатывания реле на этой частоте. Если срабатывание происходит при сигнале большем, чем 15 мв, следует применить транзисторы с боль­шим коэффициентом усиления.

Затем приступа­ют к налаживанию реле времени на транзисторах Т5 и T6. Для этого замыка­ют конденсатор С6 накоротко, а в цепь коллектора последо­вательно с реле

включают миллиамперметр. При замыкании С6 ток коллек­тора возрастает до 20—25 ма и затем плавно уменьшается до 1—3 ма. Если значение тока при полном разряде конден­сатора будет более 5 ма, то следует сменить транзистор Т5 на другой, с меньшим начальным током коллектора, или вы­брать электролитический конденсатор с малой утечкой. Вре­мя остановки «черепахи» регулируется сопротивлением R9 и составляет 4—5 секунд. Остальные реле времени регули­руются точно так же. Фотореле в регулировке не нуждают­ся, необходимо лишь использовать транзисторы с достаточ­но большим коэффициентом усиления.

Для любителей конструирования в настоящее время выпускаются наборы мобильных роботов, которые продаются в магазинах Мастер Кит или Чип и Дип. Особый интерес представляет конструктор NM 7010 Робот Жук.

Современные разработки бионических роботов по материалам ТВ

Занимательная анатомия роботов. Скачать

Схемы простейших beam-роботов

Известные и неизвестные люди России

©NesterOff.2005