Продолжая тему инновационных разработок в сфере электроники в 2023 и последующих годах, невозможно оставить без внимания сегмент робототехники, который связан причинно-следственным образом с современными технологиями, как «мать и дитя». Электронные модули (ЭМ) в робототехнике имеют значительный потенциал развития. О том, как робототехнические системы на основе ЭМ могут быть использованы для повышения безопасности, эффективности и устойчивости разных операций, в том числе в агрессивных средах и в экстремальных условиях, поговорим в статье.
Технологии IoT применяется повсеместно, однако мы знаем, что эта сфера в основном развивается за счёт совершенствования датчиков различного назначения, коммуникации и передачи (анализа) информации. И есть область, где в соответствии с вызовами времени необходимо заменить человека: там, где нужно совершать механические действия, превосходящие человеческие возможности.
Развитие робототехники в последние годы активизировалось именно в этом направлении: в обиход санкционированно внедряются интегрированные в системы электронные устройства с ИИ, способные к автономной работе в течение десятков часов, обладающие механическим приводом. Все три фактора, но особенно механический привод, – важная составляющая развития робототехники, направление её бесконечного совершенствования. Причём такие системы оснащены современными датчиками, элементами фиксации данных, высокоскоростной цифровой связью, делающими их частью так называемого Интернета вещей – IoT.
Простые примеры несомненной пользы автоматизированного и управляемого дистанционно или даже автономно с помощью ИИ механического привода – устранение помех на дороге, завалов, последствий аварий, разминирование и различные бытовые задачи вплоть до открывания дверей. Электронный швейцар, которому не нужно давать чаевые, – весьма известная концепция. Электронная собака, кошка или иное домашнее животное – крайне популярная идея. Не за горами время, когда охотиться на медведей будут электронные медведи (в сопоставимом визуально обличье), и такая охота, с одной стороны, будет много эффективней по результату, а с другой – не потребует участия биотехнии (термин охотничьего хозяйства) для прикормки животных; таким образом, не придётся засевать периферийные участки поля овсом – признанным лакомством медведей. Это лишь один из примеров гипотетической экономии ресурсов. Для человека-охотника перспектива тоже понятна. Если согласно доступным в литературном наследии откровениям писателя Юрия Рытхэу (Чукотский АО) в середине ХХ века охотник ходил в лес с телефонной будкой, а завидев матёрого кабана, медведя или волка, тут же бросал её, и тогда бежать ему становилось легче, теперь вообще не понадобится ходить в лес на охоту: добычу принесут и разделают электронные животные-помощники. Впрочем, я люблю животных и не очень приветствую охоту на них – пример напросился только для иллюстрации. Современная робототехника на основе новейших электронных модулей очень перспективна.
Появилось дополнение в серии приёмных модулей GNSS (глобальной навигационной спутниковой системы) от швейцарской компании u-blox MIA-M10. Это энергоэффективное решение для контроля перемещения объектов. Модуль поддерживает GNSS-сервис u-blox AssistNow и сервис u-blox CloudLocate, который переносит расчёт местоположения в облако, что из-за меньшего расхода энергии продлевает срок службы IoT-устройств. В практических вариантах разработчиком заявлены возможности применения модуля не только в робототехнике, но и, например, для отслеживания перемещения людей, в логистике – потребительских товаров, автомобилей, в хозяйстве – домашних и фермерских животных, в природопользовании для изучения миграции диких животных и птиц, а также во многих иных случаях. ЭМ со сверхнизким энергопотреблением, системой подзарядки от энергии солнца и аккумулятором обеспечивает работу до полугода при благоприятных условиях.
Сверхнизкое энергопотребление без ущерба характеристикам GNSS ведёт к увеличению в почти два раза времени автономной работы. Баланс между точностью позиционирования, стабильностью, возможностью работы в условиях различных температур и (или) агрессивных сред и энергопотреблением – перспективная задача разработчиков современной элементной базы РЭА. Корпус MIA-M10 размером 4,5×4,5 мм даёт возможности для компактных решений. Такой форм-фактор примерно в два раза меньше, чем условные аналоги модуля, выпускавшиеся ранее. Таким образом, отметим ещё одну важную тенденцию: робототехника, имея зависимость от форм-фактора составляющих устройство модулей, стремится к минимизации размеров.
Устройства u-blox семейства M10 обладают высокой радиочастотной чувствительностью для качественного и стабильного позиционирования по времени и месту. К примеру, модуль MIA-M10 одновременно принимает информацию от четырёх групп GNSS (GPS, Galileo, BeiDou и ГЛОНАСС), что обеспечивает максимальную доступность и качество приёма спутникового сигнала. В сочетании с радиочастотной чувствительностью надёжное позиционирование обеспечивается компактной (буквально миниатюрной) антенной, но при этом без потери связи в условиях слабого сигнала, что актуально в массовой городской застройке или, к примеру, в ситуациях несанкционированного глушения радиоволн ангажированными лицами или сообществами в формате нарушения связи и в контексте радиоэлектронной борьбы.
Сильноточный интеллектуальный оптоизолированный драйвер для управления затворами IGBT и MOSFET в оконечных и силовых узлах универсального назначения в 2022 году выпустила в серию Toshiba Electronics Europe. Двухтактный выход TLP5212 с низкой задержкой 250 нс и разбросом задержек распространения сигнала между транзисторами не более 150 нс делает устройство пригодным для высокоскоростных приложений. Диапазон рабочих температур драйвера составляет от –40 до +110°C, что обеспечивает возможность использования в промышленном оборудовании, работающем от возобновляемых источников энергии, и в системах для военпрома. Такой результат достигнут благодаря ИК-светодиоду специальной разработки Toshiba, предназначенному для работы в широком диапазоне температур, в том числе в «суровых» условиях.
Драйвер предназначен для управления затворами IGBT и MOSFET током до 2,5 А, что положительно оценили и активно используют разработчики робототехники в подвижных узлах с электродвигателями и электропневматическими цилиндрами. Кроме того, защита модуля от токовой перегрузки позволяет применять его в инверторах бесперебойного питания, сервоприводах переменного тока, фотоэлектрических преобразователях и системах питания. Реализованный функционал инновационной защиты от перегрузки основан на контроле выхода транзисторов из состояния насыщения, активном подавлении ёмкости Миллера.
Независимые выводы модуля UVLO (пониженное входное напряжение) и FAULT (неисправность) дают перспективу разработчику реализовать на основе модуля законченную конструкцию без надобности в других совмещённых системах защиты оборудования. Двухтактный выходной каскад с двумя n-канальными MOSFET обеспечивает совместимость со спецификациями различного промышленного оборудования, созданного по разным стандартам и ТУ. Это снижает системные расходы на выявление неисправностей и защиту, экономит место в корпусе робота. Для восстановления TLP5212 после срабатывания защиты требуется подача сигнала на специальный вывод драйвера. Ещё один усовершенствованный модуль TLP5222 с автоматическим возобновлением работы после перегрузки ожидается в серии с 2023 года.
На рис. 1 представлена типовая схема включения при использовании положительного источника питания затвора, детектирования DESAT, схемы активного зажима зеркала.
На рис. 2 представлена типовая схема включения модуля TLP5222 с отрицательным источником питания затвора внешнего буферного транзистора при использовании обнаружения DESAT.
Подробные характеристики модуля можно уточнить в [9].
Новый модуль выпускается в корпусе SO16L с размерами 10,3×10×2,3 мм, что позволяет использовать его в условиях ограниченного пространства. Соблюдены требования к высокому уровню безопасности: напряжение изоляции – 5000 В.
К примеру, интеллектуальный робот-мобиль CrowBot BOLT основан на беспроводном микроконтроллере ESP32, предназначенном для программирования робота в формате Arduino или MicroPython [8]. А пока группа исследователей из университета Йоханнеса Кеплера (Австрия) создала серию малых электромеханических роботов с четырьмя лапами, взяв в качестве прообраза гепарда.. Анонсированы функции ходьбы, бега, прыжков и плаванья. При этом все движения выполняются с очень высокой скоростью по отношению к малым размерам этих роботов. Такое не снилось даже писателю Лескову («Левша») и коллективу тульских оружейников, подковавших «аглицкую блоху».
Создание миниатюрных роботов является сложным делом из-за отсутствия высокоскоростных приводов необходимых размеров. Инновация в том, что привод воплощён в мягком и гибком «теле» робота на основе эластичного полимерного материала с применением резины и условных ЭМ-катушек в виде проводников из проводящей ток металлизированной пленки. Для этого конструкторам понадобился 3D-принтер и 3 года исследований и промежуточных экспериментов. Конструкция управляется при помощи электрического тока и магнитного поля. В соответствии с импульсным воздействием электрического тока на условную обмотку катушки эластичный материал скручивается в U-образную форму и разгибается. Управление катушками осуществляется при помощи датчиков и микроконтроллера, дающего команду движения конечностям и регулирующим скорость. Благодаря этому миниатюрного робота заставили сгибаться и выпрямляться в горизонтальной плоскости (рис. 3). Соответствующее воздействие управляющими импульсами слабым электрическим током на ЭМ-поле вокруг катушек приводит к разной частоте колебаний полимера и, таким образом, развитию скоростных перспектив.
Для сравнительных способностей миниатюрных роботов исследователи приняли за единицу скорости условно новый термин «длина участка изменения тела за 1 секунду» (body lengths per second, BL/с), что позволило формализовать признаки скорости и сопоставлять возможности разных роботов, неживых, да и живых существ, при необходимости, тоже. К примеру, типичный гоночный автомобиль в классе «Formula-1» может двигаться со скоростью 50 BL/с. Бегущий гепард развивает скорость 20–30 BL/с. В этом примере, разумеется, надо учитывать, что металлический кузов автомобиля не может изгибаться, как подвижная полимерная основа. Данные эксперимента опубликованы в [5]. Состоявшееся и признанное успешным тестирование миниатюрных роботов «размером с почтовую марку» показало их возможности в развитии скорости на почти идеальной поверхности до 70 BL/с. Это в эксперименте. А оснащённые собственной батареей и микроконтроллером роботы перемещаются со скоростью до 2,1 BL/с. Скорость в воде при почти идеальных условиях (безветрие и отсутствие шторма) зафиксирована до 4,8 BL/с.
Иллюстрация «австрийской» модели миниатюрного робота, которому мы посвятили описание, представлена на рис. 4.
Самым быстрым среди роботов всех размерных классов остаётся MIT Cheetah 2 – четвероногий «гепард», способный развивать скорость 6,4 м/с, что выше средней скорости велосипедиста. Подробно о классе миниатюрных, гибких и скоростных роботов написано в [5]. Видеопрезентация движения основы миниатюрного робота на эластичных материалах представлена в [7].
Несомненный «плюс» рассмотренной модели в мобильности и гибкости при преодолении препятствий. Как правило, все созданные ранее роботы с возможностью быстрого передвижения были большими и сложными устройствами. Это одна из проблем робототехники, стремящейся к минимизации форм, – как в своё время часы-хронометры из массивных методом технического усовершенствования деталей-элементов преобразились в миниатюрные. Таков один из аспектов развития интеллектуальных активов в широком смысле. Это ожидает и разработки в области робототехники в ближайшие десятилетия XXI века.
Тем временем «робот-собака» ещё в 2019 году поступил в продажу [3].
Он создан на основе разработок в Массачусетском университете в 2015 году. Этот робот с интересными функциями и с развитым механическим приводом предназначен для промышленного использования.
Среди роботов, продемонстрированных на конференции Aker BP 11 февраля 2020 года, четвероногий экземпляр, разработанный Boston Dynamics [2]. После презентации и получения роботов несколько компаний, в том числе Cognite, специализирующаяся на разработках ПО для ИИ, и Aker BP, протестировали модели в нефтегазовых средах. Были сделаны выводы о том, что такие роботы, напоминающие собак или животных, подходят для контроля оборудования в труднодоступных местах и на удалённых объектах. Иллюстрация одной из таких моделей представлена на рис. 5.
К роботу задуманы приложения-аксессуары: например, для противоскользящего эффекта при передвижении к конечностям прикрепляют игольчатые аналоги ледоступов. Видеопрезентация «робопса» представлена в [6].
В нефтегазовой промышленности сосредоточены потенциально опасные объекты с разным функциональным оборудованием, нуждающемся в постоянном контроле. Три основных приоритета стабильности предприятия: безопасность, надёжность и эффективность. В ситуации, когда робот находится на удалённом объекте, считывая показания датчиков, он собирает и формализует пакеты цифровых данных о том, как работает оборудование. Робот-помощник может выполнять широкий спектр инспекционных задач на промышленных объектах, что повышает безопасность, надёжность и эффективность деятельности предприятия.
Среди решаемых задач – работа в условиях с повышенным риском для обеспечения максимальной безопасности людей. Так можно снизить риск для проверок в зонах с высоковольтными трансформаторами. Как частный случай, этим может заинтересоваться отечественная компания РЖД и её дочерние предприятия. Травматическая опасность на объектах транспорта сохраняется на высоком уровне. Условно говоря, охрана труда не поспевает за научно-техническим прогрессом. Как были случаи поражения электрическим током от подвесной контактной сети на ж. д. (при проверке и контроле уровня наполненности цистерн и опломбирования верхних люков), так и остаются. Вместо человека, подверженного эмоциональным реакциям на вызовы времени, настроению, забывчивости, робот сделает ту же неквалифицированную работу быстро и чётко. Робот уместен в качестве первого «проверяющего» во время чрезвычайных ситуаций, сбора визуальной информации, помогающей подготовить группы реагирования, состоящие из людей или других роботов.
Контроль объекта с помощью робота подходит для ситуации с периодическим отключением оборудования. Когда оборудование работает в штатном режиме, достаточно его контролировать визуально: по датчикам и параметрам, анализируемым компьютером. При этом робот вполне заменит несколько разных датчиков контроля, от визуальных до запаха газа, что актуально в соответствующей области. Но когда оборудование отключают для регламентных работ, обновления элементов системы, ремонта или для устранения последствий аварии, ситуация может меняться динамично. Для людей это деятельность с условно более высоким риском. Робот в данном случае используется как электронный субъект наблюдения с высокой мобильностью и возможностью моментальной передачи данных оператору.
При этом общий успех зависит от условий конкретного помещения, его площади, объёма, участков открытой дистанции или пересечённой местности, труднодоступных мест в оборудовании больших терминалов (не только складских) и покрытий, которые затруднительны для преодоления колёсной техники. Тем более в условиях пересечённой местности, что неизбежно при технических катаклизмах, авариях большого масштаба. Добраться до таких мест быстро не получится. Или вообразите себе завод с огромной территорией, где оборудование размещено на большой площади, полигон для испытаний в 3–5 километров. Пока доедешь, солнце зайдёт за горизонт, и рабочий день закончится. Скорость движения робота с имитацией «лап гепарда», в отличие от колесных платформ, намного выше, есть возможность управляемых прыжков, есть гибкость применения в разных средах, поэтому он эффективен в результате.
Действительно, такая «электронная псина о четырёх лапах» может взбираться на каменные сваи, преодолевать разноуровневые участки, ходить и бегать по бетону, асфальту и гравию. Для современной робототехники почти не существует нерешаемых задач, постепенно мы в этом убедимся. Некоторые исключения изложены в результирующей части обзора. Тем не менее всё предусмотреть невозможно, и в разных условиях приходится решать конкретные задачи. К примеру, на производстве, где много металлических профилей, ограждений, лестниц и сеток, первые экземпляры роботов «теряли бдительность», воспринимая «картинку» неоднозначно. Эти проблемы решаются доработкой ПО. Компании-разработчики из Woodside и Boston Dynamics регулярно обновляют программное обеспечение и совершенствуют систему. Удобство платформы и ПО для пользователя – одна из важнейших задач робототехники.
Робототехника даёт разработчикам и потребителям многофункциональный набор инструментов, расширяющий возможности человека, окрыляет мыслью, что мы можем делать то, о чем раньше даже не мечтали. Однако важно не забывать о сути человеческой жизни, натуральной коммуникации, участии, сострадании к другому. К сожалению, одна из проблем современного социума в том, что у людей нет опыта критического мышления, этому просто не учат. В течение десятилетий, а может быть, и столетий, такого социального опыта не было. В наше время человек с лёгкостью уходит в социальные сети, в сферу развития робототехники, обособляясь от натуральных контактов, при этом, несомненно, теряет в духовности и участии. В старину на Руси говорили не «я тебя люблю», а «я тебя жалею». Этого человеческого участия в робототехнике в обозримом будущем не предвидится. Как сказано у С. Лема (на основе произведения были поставлены несколько версий фильма «Солярис»), мы единственные разумные существа, осознающие, что жизнь конечна. Искусственный интеллект пока не достиг такого уровня. Предлагаю об этом помнить и ценить друг друга.
Обзор рынка анализаторов спектра и сигналов
В статье приводится обзор состояния рынка анализаторов спектра (АС), включая настольные и портативные варианты исполнения, а также рынка анализаторов фазового шума (ФШ) на основе информации из открытых источников (Федеральный информационный фонд по обеспечению измерений ФГИС «АРШИН») [1]. Проведён анализ изменения конъюнктуры рынка и объёмов потребления начиная с 2019 года, включая новых производителей оборудования, вышедших на рынок после февраля 2022 года. 15.04.2024 СЭ №4/2024 592 0 0Частицы в ультрачистой воде
Статья написана по материалам международной технологической дорожной карты для полупроводников (IRDS™ 2023) и посвящена обзору технологии контроля концентрации частиц в ультрачистой воде. 15.04.2024 СЭ №4/2024 621 0 0Двухканальный индикатор уровня звука на базе микроконтроллера EFM8LB12 и дисплея OLED 1306
В статье приведены принципиальная схема, разводка и внешний вид платы, программные средства и результаты работы двухканального индикатора уровня звука на основе микроконтроллера (МК) EFM8LB12, двух ОУ MCP6002 и дисплея OLED 1306, на котором для каждого канала отражаются гистограммы с высотой, пропорциональной уровню звука соответствующего канала. Такой индикатор может быть установлен на переднюю панель аудиоусилителя. По сравнению с похожими покупными индикаторами описываемый индикатор отличается простотой и стоит в несколько раз дешевле. 15.04.2024 СЭ №4/2024 571 0 0Электронные датчики и радары в системе беспроводной связи ОТА, LOP и E-peas
В будущем разработчиков РЭА ожидает эра «одноразовых» устройств: «установил и забыл» – надёжные, устойчивые к внешним воздействиям среды, но не предназначенные для ремонта. Одна из важных решаемых задач – сочетание сбора энергии из среды, её преобразование в электрическую и применение датчиков и микроконтроллеров с крайне низким энергопотреблением. В сочетании с технологиями E-peas (Electronic portable energy autonomous systems – автономные портативные электронные системы), LOP (с низким энергопотреблением) и решениями NXP возникают перспективы датчиков положения, давления и измерения сопутствующих величин от OEM-производителей. С аппаратными настройками и масштабируемостью производительности РЭА в формате процессоров S32R с исключением ошибок в передаче данных аналогового и смешанного сигнала беспроводным способом на небольшие расстояния. В статье представлены примеры системных решений для организации и управления питания датчиков РЭА, задействованных в беспроводной передаче данных, сетевых технологиях и транспортной технике с беспроводной сетью ОТА (Over-the-air – по воздуху). 15.04.2024 СЭ №4/2024 593 0 0