понедельник, 31 января 2011 г.

Блог про Lego NXT

Конструкторы Lego NXT появляются все в большем количестве школ и ВУЗов нашей страны. Этот факт не может не радовать. Естественно, что количество ресурсов по роботам Lego NXT растет.

Совершенно недавно, наткнулся на очень добротный сайт по этой теме - NiNoXT (Lego Mindstorms NXT: робототехника для школ и ВУЗов Нижнего Новгорода).

Блог содержит, по большей части, описания конструкций роботов Lego NXT, и будет чрезвычайно полезен для преподавателей любых школ и ВУЗов, в которых наборы Lego Mindstorms уже закуплены.
За 2010 и 2011 годы в этом блоге опубликовано уже около 170 статей и заметок, некоторые из которых весьма любопытны. Например, мне очень понравился шагающий Lego-робот NXTAPOD:



Между прочим, разворот робота обеспечивается механически, без всякой программной логики. Подробнее читайте в заметке в блоге NiNoXT.

P.S. Вспомнился клавиатурный робот-Спам :)

пятница, 21 января 2011 г.

Механика в робототехнике

В последнее время все чаще замечаю, что значение механики в робототехнике крайне велико. Иногда, разбирая игрушки, поражаюсь, насколько можно удешевить и упростить конструкцию игрушки, если хорошо разбираться в механике. К примеру, одно время я увлекся BEAM-роботами именно по этой причине - ведь при ближайшем рассмотрении оказалось, что функционал большинства роботов на микроконтроллерах довольно легко воспроизвести в бимах (т.е., без использования микросхем вообще). Я видел BEAM-роботов, которые: объезжают препятствия, следуют по линии, движутся на свет, реагируют на прикосновения... Да и что тут говорить, чего только стоят великолепные роботы-ходуны, а также другие "немобильные" бимы - ползающие, прыгающие и т.д.

К сожалению, мои собственные знания по механике не слишком велики, но человек - существо обучаемое, вот я и решил подтянуть собственные знания по механике. И хочется поделиться некоторыми интересными находками, встретившимися на просторах интернета.

Чтобы показать, насколько сложные устройства можно создать только на основе механики, предлагаю посмотреть вот такое замечательное видео про полностью МЕХАНИЧЕСКУЮ бесполезную машину (useless machine):

На самом деле на основе шестерней можно создать множество довольно хитрых устройств, нужно только знать приемы, которые позволяют преобразовать обычное вращение шестерней в другие типы механического воздействия. Как показывает Mystery Box, с помощью только шестерней и механических передач, можно задержать выполнение какого-либо действия на нужный срок, среагировать на механическое воздействие, выполнить нужное действие строго определенное количество раз, выполнить несколько действий одновременно... Также, механизмы из шестерней способны менять скорость воздействий, направление воздействия и так далее.

Например, вот парочка видеозаписей про необычные зубчатые механизмы:

  1. Перемена скорости - зубчатый механизм, способный мгновенно менять скорость вращения.
  2. Перемена направления - зубчатый механизм, способный мгновенно менять направление вращения.

Шестерня (или зубчатое колесо) - это очень важная, но далеко не единственная механическая деталь. Есть и другие - кулачковые механизмы, вариаторы, блоки, винты, вороты, рычаги, червячные колеса и т.д. А иногда, в ход идут и совсем необычные приемы. Например, меня очень позабавила конструкция маленькой заводной игрушки-лыжника, который катается, казалось бы совершенно хаотично. Смотрите сами:

А теперь посмотрите, как он сделан! Оказывается, лыжник состоит из двух частей, верхняя часть его тела (оснащенная палками) может немного наклоняться вправо и влево. Именно палками и обеспечиваются повороты и кручение лыжника, когда он задевает одной из палок пол.

А теперь посмотрим внутрь. Оказывается, дополнительно к кручению колес, заводной механизм игрушки также медленно крутит небольшую прямоугольную деталь со скругленными краями, которая периодически толкает рычаг, заставляющий верхнюю часть лыжника наклониться влево. Такой механизм вроде как называется кулачковым (но я пока еще в механике профан, так что утверждать не возьмусь). Обратно тело лыжника возвращается с помощью пружины, которая также видна на фотографии. Изящное и простое механическое решение.

Есть и другие подобные игрушки, особенно впечатляют "танцоры", танец которых очень разнообразен и интересен. И удивительное дело, внутри у них - ни одной микросхемы, исключительно механика! Кстати, добиться таких танцев через программирование и микроконтроллер - задача не такая уж и тривиальная.. Может, даже и посложнее будет.

Резюмируя, я считаю, что простые, надежные и недорогие механические решения нужно стремиться использовать как можно чаще, и потому хорошо знать механику робототехник должен обязательно!

среда, 19 января 2011 г.

Плата... Марсоход!

Нет, ну надо же! Я был уверен, что довольно хорошо разбираюсь в робоконтроллерах. Много читал про линейку Arduino, изучал Orangutan'ы, пытался спаять MRC-28, завидовал контроллерам МК, ну и в конечном итоге приобрел плату Freeduino - и собираюсь использовать в своем марсоходе.

На всякий случай напомню - робоконтроллеры представляют собой программируемые электронные платы с удобными разъемами для подключения внешних устройств (датчиков, моторов, LED-дисплея и так далее). Чаще всего центральной частью робоконтроллеров является микроконтроллер.

И вот, представьте мое изумление, когда я совершенно случайно наткнулся на сайт о плате "Марсоход", это ни что иное, как миниатюрный робоконтроллер на основе ПЛИС (CPLD). Странное название, однако сама плата хороша. Кстати, название плата получила в честь первого проекта, реализованного на ее основе (см. фото справа).

Созданная в нашей стране, плата уже вполне доступна по цене (1000 рублей), и имеет неплохую аудиторию. Самое главное, для этой платы существует большое количество качественной документации, и на её основе создано множество интересных проектов. Вся эта информация доступна на сайте платы.

Особенно меня впечатлила модель фуникулера. Ознакомьтесь обязательно! На мой взгляд, задумка прекрасная. Мои дети будут гарантированно в восторге (обязательно постараюсь соорудить что-то подобное на основе Freeduino).

В общем, создателям платы желаю всяческих успехов. Молодцы!

P.S. Вот еще полезная ссылка с хабра напоследок: Плата "Марсоход" в сравнении с Arduino.

суббота, 15 января 2011 г.

Марсоход Curiosity

Из живых марсоходов остался лишь один - Opportunity. Поэтому, NASA в этом году планирует запулить на Марс нового поселенца - марсоход Curiosity (проект Mars Science Laboratory). В общем, хотелось бы начать популяризацию этого проекта, и обратить внимание уважаемых читателей на конструкторские решения инженеров, которые этот новый марсоход создают.

Итак, запуск запланирован на ноябрь этого года, а в августе 2012го аппарат уже должен будет совершить посадку на красную планету. Общий бюджет проекта составляет 2.3 миллиарда долларов (~69 миллиардов рублей). Марсоход Curiosity имеет очень внушительные размеры, заметно больше Opportunity и Spirit, и представляет собой передвижную химическую лабораторию. Помимо функций передвижения колесно-шагающим способом, Curiosity также имеет роботизированную руку, на которой установлены камера, бур и приспособление для забора проб грунта.

Сейчас проект находится на этапе доделки и тестирования. К примеру, вот видео, показывающее первые «шаги марсохода» :)

Что же, будем надеяться, что NASA сделает выводы и постарается исправить все недостатки уже потерянных на Марсе аппаратов. А чтобы понять, что именно нужно исправить - давайте быстренько вспомним о выбывших из строя марсоходах, и проанализируем их слабые стороны.

Брат-близнец выжившего Opportunity, Spirit, потерявший еще в 2009 году способность к передвижению и переименованный в стационарную станцию по изучению Марса, очевидно, плохо пережил марсианскую зиму, и вот уже 9 месяцев не выходит на связь. Несколько зим до этого он пережил удачно (ведь Spirit совершил посадку на Марс еще в январе 2004го года!), однако из-за его стационарного положения, солнечные батареи оказались повернуты под неверным углом к Солнцу, и поэтому не могли вырабатывать столько энергии, сколько в предыдущие зимовки. Отсутствие энергии повлекло за собой переохлаждение аппарата, и это могло послужить причиной его выхода из строя.

Впрочем, надежды на возрождение Spirit'а еще есть, хотя и небольшие. Поэтому, хоронить его полностью пока не будем :)

Другой недавний проект, Феникс (Phoenix Mars Lander), также был потерян в ходе марсианской зимы, судя по снимкам орбитальной станции - из-за повреждений солнечных батарей (на снимках отсутствует отблеск от одной из панелей). Феникс, напомню, не являлся марсоходом, это стационарный спускаемый аппарат, однако же у него имелась роботизированная рука, поэтому в блоге я не раз о нем писал.

Помимо зимних невзгод, серьезную опасность для марсоходов также представляют марсианские пылевые бури. Spirit и Opportunity доказали, что пережить пылевую бурю можно, но это порой чрезвычайно сложная задача. И помимо механических и электростатических опасностей, существует еще вероятность, что солнечные батареи аппаратов попросту окажутся занесены слоем пыли и песка, а значит те же самые проблемы с энергией обеспечены.

В общем, прослеживается явная тенденция - марсианские роботы умирают из-за... солнечных батарей! Получается, это наиболее уязвимая часть марсоходов, и в будущих проектах (в Curiosity в частности), хотелось бы увидеть, как с этим будут бороться.

Направлений решения энергетической проблемы существует всего два, несложно догадаться каких:

  1. Создание некоего устройства, которое сможет автоматически протирать или заменять солнечные батареи.
  2. Поиск иных источников энергии.

На самом деле, оба направления важны, хотя первое кажется не слишком перспективным. Но ведь совсем отказываться от солнечных батарей в случае их выхода из строя - тоже довольно странная идея, ведь такие батареи прекрасно справлялись с задачей обеспечения энергией Spirita и Opportunity на протяжении нескольких лет! Не думаю, что изготовление неких поворотных участков батарей будет слишком сложной задачей. Ток от каждого из участков довольно легко измерить, и передать эти значения оператору, который сможет в случае необходимости перевернуть нужные участки и посмотреть, какой эффект это возымеет. Благодаря большому количеству подвижных участков, получается система, на порядок более стойкая к механическим повреждениям и запылению.

Ну и конечно, поиск новых источников энергии - это очень нужная и актуальная задача, я бы сказал это задача номер один для современных марсоходов. И здесь я тоже вижу несколько вариантов:

  1. Автономные источники энергии. Тут имеются в виду, безусловно, атомные батареи.
  2. Попытка добычи энергии из окружающего мира. На марсе источников энергии немного. Пустыня же голая, из привычных нам источников - разве что ветер... Но в свете наличия пылевых бурь с чудовищной скоростью ветра, этот источник очень опасен (при чересчур большой скорости, ветряк может даже взорваться).
  3. Химическая переработка (или сжигание) топлива, которое можно получить прямо на Марсе. Однако, пыль, камни и песок - не слишком подходят на роль топлива, а что-то другое в марсианской пустыне найти удастся едва ли...

Уже из вариантов, видно, что наиболее подходящим является первый вариант - использование атомных батарей. Простейшие варианты таких батарей использовались на марсоходах и раньше, однако они служили лишь обогревающим целям.

Именно такой путь избрали и ученые NASA. Более того, на этот раз они вообще не стали заморачиваться с солнечными батареями. Питание Curiosity полностью автономное!

Для питания марсохода, учеными был разработан особый радиоизотопный генератор (multi-mission radioisotope thermoelectric generator, MMRTG). Топлива в нем - около 5 килограмм, по большей части, диоксида плутония-238. Этот генератор очень неплохо обогревает окружающую его среду, благодаря чему Curiosity теперь может переносить температуры вплоть до -127 градусов по Цельсию! Помимо обогрева, он также генерирует 120Ватт электрической энергии, этого марсоходу должно хватить для выполнения собственных функций. Вообще, MMRTG - это довольно старая разработка, и документация по этому генератору (на английском языке) уже давно присутствует в интернете.

В целом, благодаря MMRTG, Curiosity сможет прожить на Марсе как минимум пару лет. Не так оптимистично конечно, как потенциально бесконечные солнечные батареи, но зато намного более надежно. А надежность в исследованиях космоса - это самое важное!

Дополнительные материалы
  • Живая трансляция - изображение с камеры, установленной в помещении, где создают марсоход Curiosity.
  • Страница на Википедии - неплохая обзорная страница на Википедии, пожалуй, даже лучше чем на официальном сайте проекта. Есть и русская версия этой страницы, но переведено, к сожалению, очень немногое.
  • Компьютерная анимация - моделирование процесса посадки и работы Curiosity. Весьма необычный вариант посадки, рискованный даже, надо сказать... Видимо, старые варианты были отвергнуты из-за большой массы аппарата.

четверг, 13 января 2011 г.