В этой главе мы построим робота – систему телеслежения. Как уже было показано в гл. 2, подобные роботы находят широкое применение в науке, бизнесе, индустрии развлечений, военном деле, различного рода исследованиях и промышленности.

Современный писатель, фантаст Роберт Хайнлайн считается первым, кто предсказал возможность применения роботов – систем телеслежения в фантастическом романе 1940 года под названием «Валдо». В этом романе человек управляет механическими куклами, называемыми «Валдо», отдавая команды из удаленного места.

Я обнаружил, что вместо использования термина «Валдо» к подобным устройствам более подходит слово «Голем», взятое из еврейской мифологии. История Голема описывает человеческий дух, который намеренно вселяется в глиняную статуэтку. Дух управляет глиняной статуэткой, отдавая ей приказания, которые дух не смог или не хотел бы исполнять в своей «человеческой» форме. Как только работа Голема завершена, дух возвращается в свое человеческое тело. Такое определение очень точно описывает новую науку телеслежения. По этой причине я назвал своего робота – систему телеслежения Голем I.

Система телеслежения представляет собой систему дистанционного управления высокой точности, которая делает попытку перенести управляющие действия человека на удаленного робота. Интерфейс обратной связи строит систему телеслежения по образу виртуальной реальности. На рис. 9.1 показаны основные блоки системы телеслежения.

Рис. 9.1. Базовая схема системы телеслежения

В системах виртуальной реальности мы достигаем погружения в синтетическую, сгенерированную компьютером реальность, пользуясь иллюзией «обмана» чувств, что приводит к организации взаимодействия с этой синтезированной реальностью и вере в ее «существование». В системе телеслежения окружающий мир реален, но находится на определенном удалении. Таким образом, вместо компьютерно созданной искусственной реальности, сенсорные устройства, установленные на удаленном роботе, предоставляют оператору необходимую информацию об окружающей пространственной среде, как если бы он или она непосредственно находились в данном месте.

На стороне оператора, как уже говорилось, имеется оборудование типа виртуальной реальности, которое обеспечивает отображение достаточной информации от удаленных сенсорных устройств для того, чтобы чувства оператора «поверили», что данная среда является реальной и присутствующей «здесь». Достигнутый уровень «присутствия» зависит от точности и верности информации, передаваемой через интерфейсы. Человекоподобный робот, который может точно следовать человеческим движениям, жестам, перемещениям, сохранять равновесие и при этом обладает способностью передавать оператору зрительные, тепловые, тактильные и мышечные ощущения, возникающие в его искусственном «скелете», будет являться совершенным Големом. При этом должна возникнуть иллюзия сращивания или полного погружения человека-оператора в структуру робота.

Существующие системы телеслежения решают гораздо более скромные задачи. Во многих случаях такой робот представляет собой повозку типа той, которую мы собираемся построить. Лучшие образцы подобных устройств позволяют добиться иллюзии, что он или она управляют движением повозки, находясь внутри нее.

Подобные роботы могут создаваться для исследования или работы в суровых или вредных для здоровья условиях. Список подобных условий может включать воды Арктики, океанское дно, лесные пожары, действующие вулканы, ядерные реакторы, поверхность Луны, Марса и т. д.

Мы будем конструировать нашего робота на основе модели радиоуправляемого автомобиля. В идеальном случае модель должна иметь систему пропорционального управления ходом и поворотами автомобиля. В нашем прототипе используется именно такая модель автомобиля. Могут быть использованы более дешевые модели, но они обеспечивают худшее качество управления.

На рис. 9.2 приведена фотография радиоуправляемого автомобиля, снабженного пружинной системой подвески. Чтобы обеспечить «чувство» поверхности, система может быть снабжена датчиками наклона и неровностей дороги (тряски). В данном случае мы забегаем немного вперед.

Рис. 9.2. Модель радиоуправляемого автомобиля, используемого в системе телеслежения

Приобретите модель автомобиля, работающего на аккумуляторах и имеющего зарядное устройство. Для некоторых моделей радиоуправляемых автомобилей эти устройства можно приобрести отдельно.

Радиоуправляемые модели превратились в популярное хобби. Существуют радиоуправляемые модели самолетов, вертолетов, планеров, катеров, подводных лодок, автомобилей, мотоциклов и т. д. Каркасы и системы пружинной подвески большинства моделей подходят для создания на их базе роботов «Големов».

Еще недавно большинство моделей работало на жидком топливе. В конце 70-х годов развитие технологии производства электрических батарей и двигателей сделало модели, работающие на электрической энергии, более популярными.

В моделях радиоуправляемых автомобилей обычно используются двухканальные системы управления «приемник/передатчик». По одному каналу осуществляется управление поворотами, а по другому – «педалью» акселератора. Каждый сигнал передатчика управляется переменным резистором на панели передатчика. Потенциометр, управляющий поворотом модели, часто соединяют с небольшим рулевым колесом на корпусе передатчика. Потенциометр акселератора часто соединяют с рукояткой или джойстиком.

Микросхема кодера передатчика модулирует несущую с помощью импульсов переменной ширины. Ширина импульсов зависит от положения (сопротивления) движка переменного резистора. Ширина модулирующих импульсов изменяется от 1 до 2 мс (см. рис. 9.3). В среднем положении движка ширина импульсов составляет 1,5 мс. В одном крайнем положении ширина импульсов достигает 2 мс. В другом крайнем положении импульсы сокращаются до 1 мс.

Рис. 9.3. Последовательность импульсов ШИМ для управления работой сервомотора

Декодер приемника обрабатывает импульсы и посылает соответствующие команды на управляющие сервомоторы. Сервомотор представляет собой интегральную конструкцию, состоящую из двигателя, редуктора, выходного вала и печатной платы управления. Управляющая схема печатной платы внутри сервомотора генерирует соответствующие импульсы на основании сопротивления внутреннего потенциометра, соединенного с выходным валом сервомотора. Управляющая ИС сравнивает импульсы внутренней схемы сервомотора и импульсы, приходящие с декодера приемника. Поворотом оси вала сервомотора длительность этих импульсов уравнивается. Таким образом, сервомотор изменяет и отслеживает положение вала ротора в соответствии с сигналом передатчика.

Глазом (или глазами) для нашего робота телеслежения служит миниатюрная цветная видеокамера с каналом звукового сопровождения (см. рис. 9.4). Комплект видеокамеры включает приемник и передатчик диапазона 2,4 ГГц. Цена подобной системы примерно $99,95.

Рис. 9.4. Цветная видеокамера со звуковым сопровождением и передатчик диапазона 2,4 ГГц

Размеры самой камеры невелики. Она прикреплена к корпусу передатчика с помощью небольшого уголкового кронштейна. Размеры видеокамеры достаточно малы, поэтому возможна установка комплекта из двух камер на расстоянии примерно 63 мм между объективами (это соответствует среднему расстоянию между глазами) по бокам робота. Установка пары подобных камер позволит оператору получать более реалистичные стереоизображения. В устройстве-прототипе мы используем только одну камеру; позже мы обсудим возможности усовершенствования конструкции с добавлением «стереозрения», которое позволит через восприятие глубины пространства улучшить эффект «присутствия» и управление устройством.

Первоначальная модель нашего устройства содержит одну миниатюрную видеокамеру со звуковым сопровождением. Конструкция собрана по модульному принципу, поэтому если читатель захочет потом ввести стереосистему «зрения», то он может использовать уже имеющееся видеооборудование.

Конструирование робота начинается с поиска подходящего шасси от радиоуправляемого автомобиля. Большинство моделей радиоуправляемых автомобилей имеют внешний декоративный корпус, который придает им вид настоящего автомобиля, грузовика, вездехода и т. д. Удалите внешний декоративный корпус и крепите необходимые детали непосредственно к шасси.

Миниатюрная цветная камера робота Голем I требует отдельного источника питания (см. рис. 9.5). Для батареи 6 В изготавливается отдельный батарейный отсек, питающий видеокамеру и передатчик. Энергии свежих элементов АА должно хватать примерно на 4–6 часов непрерывной работы.

Рис. 9.5. Батарейный отсек 6 В для четырех элементов АА

Для облегчения установки и сохранения модульного принципа мы будем широко использовать самоклеющуюся ленту Velcro («липучка»). Материал Velcro обычно имеется в продаже в виде полос длиной, кратной 30 см. Лента Velcro имеет вид двух полос, скрепленных между собой. Каждая из полос имеет клейкий слой и на обратной стороне. Одна из полос крепится к соответствующему месту шасси, а другая – к детали, которую необходимо прикрепить.

Передатчик на 2,4 ГГц является интегральной частью цветной видеокамеры (см. рис. 9.6). Приемник на 2,4 ГГц представляет собой отдельный блок. Блок приемника имеет два разъема типа RCA для видео– и аудиовыхода. Эти разъемы соединены с помощью RCA кабелей с входами телевизора, монитора или видеомагнитофона.

Рис. 9.6. Система видеокамеры, передатчик и приемник

Видеокамера может быть установлена на шасси двумя способами. На рис. 9.7 показаны видеокамера и передатчик, прикрепленные к батарейному отсеку. Вы можете начать с фиксированного положения камеры или видеокамера может быть установлена на крышке сервомотора для обеспечения ее поворота и слежения. Понятно, что установка сервомотора является более сложной и требует отдельного канала радиоуправления для панорамирования камеры вправо и влево. В устройствах наибольшей достоверности передачи информации панорамирование камеры должно быть связано с отслеживанием поворота головы оператора. Таким образом, если оператор поворачивает голову вправо или влево, то камера передвижного робота панорамирует вправо или влево синхронно с движениями головы. Для правильной работы подобной системы оператору необходим специальный шлем-дисплей виртуальной реальности, что является очень сложной задачей. Я бы советовал для простоты конструкции сперва использовать неподвижно закрепленную видеокамеру.

Рис. 9.7. Цветная видеокамера и батарейный отсек в сборе, готовые к размещению на модели автомобиля

Для неподвижного крепления вам потребуется небольшая полоска Velcro, приклеенная ко дну батарейного отсека видеокамеры. Другая полоска соответственно прикреплена к шасси радиоуправляемого автомобиля. Конструкция робота Голема в сборе показана на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Цветная видеокамера установленная на модели автомобиля

Вы можете управлять автомобилем дистанционно, используя систему радиоуправления, и при этом смотреть на экран телевизионного монитора. Видеокамера снабжена микрофоном, поэтому в процессе управления вы можете слышать окружающие звуки.

Вы можете приобрести пару недорогих портативных радиостанций для детей типа walkie-talkie. Поместив одну из станций на шасси робота, вы можете говорить «с борта» робота.

В роботе Голем I использована стандартная система радиоуправления, входящая в комплект модели автомобиля. Реалистичность телеслежения можно значительно увеличить путем введения реалистично выглядящих органов управления. Это несложно сделать. Извлеките управляющие резисторы из корпуса передатчика и соедините один из них с импровизированным рулевым колесом, а другой – с педалью акселератора.

При некотором размышлении базовая модель системы телеслежения Голем I может быть значительно усовершенствована. Понятно, что усовершенствования приведут к некоторому удорожанию устройства. Тем не менее подобные подсистемные усовершенствования можно делать постепенно.

Стоит попытаться снабдить робота Голем I системой цветного «зрения» высокой четкости. Данная попытка дает системе много дополнительных преимуществ, в частности восприятие глубины пространства. Это является областью, куда все еще возможно внести значительный вклад. Перед тем как приступать к осуществлению проекта, необходимо четко понять, что для просмотра стереоизображений с «борта» робота необходима специальная система, обеспечивающая режим подобного просмотра.

Небольшой размер миниатюрных стереокамер очень подходит для синтеза стереоизображения. Подобные камеры могут быть размещены в один ряд на расстоянии, соответствующем среднему расстоянию между глазами человека. Для большей определенности, среднее расстояние между глазами у взрослого человека составляет примерно 63 мм. Для восприятия глубины пространства объективы камер могут быть расположены на таком же расстоянии от центра до центра для имитации глаз человека. Передатчики обоих камер должны быть необходимо настроены на разные частоты. Это позволит специальному телевизионному дисплею передавать левое изображение в левый глаз, а правое изображение – в правый глаз.

Стереоизображения, получаемые с борта Голема, позволят оператору воспринимать глубину пространства в то время, когда он или она управляют устройством. Стереозрение становится гораздо более важным при необходимости восприятия глубины пространства, например при использовании искусственной руки робота. Возможность зрительного контроля положения манипулятора (руки робота) по оси Z в трехмерном пространстве (оси X,Y и Z) в большой степени увеличивает эффективность управления.

Для оператора достаточно затруднительно эффективно управлять манипуляторами (руками робота) при отсутствии Z-измерения глубины в монокулярном зрении. В этом случае оператор вынужден слегка толкать манипулятором предметы, чтобы точно определить положение руки-манипулятора по оси Z.

То же самое происходит при дистанционном управлении автомобилем через систему телеслежения. При потере восприятия глубины становится затруднительным определение расстояний до объектов впереди автомобиля.

После установки стереосистемы оператор будет видеть трехмерное изображение пространства перед автомобилем. Однако это в этом передаваемом стереоизображении будет отсутствовать очень важная информация, соответствующая конвергентным движениям глаз. Мы получаем информацию о расстоянии до объекта во многом благодаря именно конвергенции (сближению) глаз. Конвергенцией называется схождение оптических осей глаз при их повороте внутри глазных орбит при рассматривании того или иного объекта. При рассматривании очень близких объектов глаза необходимо повернуть «внутрь». Напротив, при рассматривании очень удаленных объектов направление осей глаз будет почти параллельным. Мозг автоматически учитывает эти движения при расчете расстояния до объекта.

Стереовидеокамеры находятся в фиксированном положении и направлены прямо вперед. Чтобы добавить возможность «конвергенции» видеокамер, необходимы устройства, отслеживающие положение глаз. Устройство отображения стереоизображений должно быть снабжено блоком обратной связи, постоянно отслеживающим положение глаз оператора. Полученная информация должна быть передана на сервомоторы, на которых установлены видеокамеры, для сближения оптических осей этих видеокамер пропорционально конвергенции глаз оператора.

Такая система по типу «ведущий-ведомый», насколько я знаю, еще не создана. Точность ее исполнения зависит, вероятно, от того, насколько подобная система сможет помочь оператору в определении расстояний. Создание подобной системы выходит за рамки данной книги, однако, может оказаться по плечу опытному и настойчивому экспериментатору.

В гл. 5 описаны схемы цифровых компасов, которые могут оказаться полезными в конструкции робота Голем. Компас может быть установлен двумя различными способами. В первом способе индикаторные светодиоды компаса помещены в поле зрения видеокамеры. Быстро посмотрев на индикаторы, оператор получает информацию о направлении движения робота. Второй способ требует передачи данных с цифрового выхода компаса к оператору с помощью радиоканала.

При управлении автомобилем через систему телеслежения вы не можете чувствовать наклона или неровностей дороги, по которой движется автомобиль. Для введения «чувства» неровностей дороги в систему вы можете использовать систему пружинной подвески модели. Для этой цели подойдут многие типы датчиков: например, пьезоэлектрические преобразователи, датчики Холла, индикаторы деформации и т. д.

Вызовом экспериментатору является не просто обнаружение неровностей, но отображение этой информации через сидение оператора. Большинство подобных платформ используют дорогие пневматические и гидравлические системы привода. Если цена слишком высока, то этот выбор исключен.

Более дешевым решением являются сиденья ThunderSeat, производимые компанией Thunder Seat Technologies. ThunderSeat использует любой источник звука для генерации вибрационных колебаний. Он использует громкоговоритель-сабвуфер, связанный со звуковой камерой внутри сиденья. Звуковая камера передает вибрации всему сиденью. Низкочастотный громкоговоритель (сабвуфер) развивает мощность до 100 Вт. Частотный диапазон системы от 50 Гц до 3,7 кГц. Первоначально система была создана для эмулятора полета самолета, управляемого звуковой картой персонального компьютера. Выход звуковой карты был соединен с усилителем, к которому, в свою очередь, подключался ThunderSeat.

Точно так же, как для интерфейса датчиков неровностей поверхности, можно использовать различные датчики-преобразователи для определения наклона (см. гл. 5). В одном из датчиков используется стальной шарик в пластиковой оболочке. При наклоне шарик замыкает электроды, закрепленные в оболочке. Для этой цели могут быть использованы ртутные выключатели.

Наилучшими, но самыми дорогими датчиками являются датчики электролитического типа. Один такой датчик способен выдавать информацию по двум осям наклона. Герметически запаянный датчик имеет один центральный электрод, окруженный четырьмя равноотстоящими электродами. Залитый электролит обеспечивает электрический контакт между электродами, причем сопротивление этого контакта по переменному току пропорционально углу наклона.

К сожалению, электролитические датчики не могут работать в цепях постоянного тока. Постоянный ток вызывает осаждение компонентов электролита на электродах, что приводит к его порче. Чтобы избежать этого, датчик запитывается переменным током частотой 1000 Гц и напряжением 3 В. Напряжение переменного тока на центральном электроде пропорционально наклону датчика.

Если вы все же решите использовать подобный датчик, то я могу предложить вам один способ съема данных информационного потока. Для этого необходимо соединить выход датчика по переменному току с мостовой выпрямительной схемой для получения напряжения постоянного тока. Это напряжение можно подать на ГУН (генератор, управляемый напряжением). Частота ГУН зависит от амплитуды управляющего напряжения. Информация с ГУН передается по радиоканалу на приемное устройство, которое управляет платформой сиденья оператора. Приемник декодирует сигнал (наклон) и осуществляет пропорциональное управление наклоном платформы.

Фирма Spectron Inc. выпускает ИС типа SA40011, которая обеспечивает простой интерфейс электролитического датчика наклона. Сигнал постоянного тока с выхода ИС SA40011 может управлять ГУН, как это было описано выше.

Как и в предыдущем случае, устройство наклона операторского места является одной из самых сложных частей системы. Для наклона сиденья можно использовать пропорционально управляемые пневматические или гидравлические системы.

Радиус действия нашего небольшого передатчика лежит в пределах от V 30 до 100 м. Для увеличения радиуса действия необходимо применение другой системы – она называется любительским телевидением.

Любительское телевидение существует уже в течение ряда лет. Это способ, используемый радиолюбителями для двухстороннего обмена изображениями. До недавнего времени цена оборудования была достаточно высока, поэтому такое могли позволить себе только отдельные «элитные» радиолюбители. С развитием твердотельной технологии ситуация изменилась.

Все компоненты для системы любительского телевидения мощностью 5 Вт можно приобрести за $200, исключая телевизионный монитор и видеокамеру. Для любительского телевидения подойдут камеры, используемые в роботе Голем I. Менее мощные системы любительского телевидения (0,75 Вт) можно приобрести за $100.

Для легального использования подобных систем на территории США необходима радиолюбительская лицензия Technical class. В настоящее время для получения данной лицензии знание азбуки Морзе необязательно. За дополнительной информацией можно обратиться в местный радиолюбительский клуб. Можно отправить письмо в American Radio Relay League (ARRL), 225 Main Street, Newington, CT 06111, или позвонить (800) 594-0200 или (203) 666-1541 (факс: (800) 594-0259).

Пятиваттная система любительского телевидения может обеспечить связь на расстояния до 50–70 километров в соответствии с уровнем местных помех, рельефа, погоды и т. д.

Полученный при конструировании системы телеслежения опыт поможет читателю в создании других моделей. Компания, производящая Erector Sets, постоянно совершенствует и обновляет ассортимент интересных конструкторских наборов, выпускаемых на рынок. Эти наборы, которые называются Meccano-Erector Sets, содержат двигатели, редукторы, шкивы и прочие стандартные детали Electro Set.

Выпускаются стандартные наборы для изготовления самоходных платформ, автомобилей, мотоциклов, вездеходов и пр. В этих наборах имеются очень хорошие платформы на пружинной подвеске, пригодные для изготовления экзотических моделей роботов. Наборы можно приобрести у местных US-дилеров Toys R.

• (1) Миниатюрная цветная видеокамера с приемником и передатчиком диапазона 2,4 ГГц

• (1) Дополнительный батарейный отсек

• (1) Система пропорционального радиоуправления (приемник/передатчик – два канала, кварцевые резонаторы, сервомотор с крутящим моментом 1,3 кгс)

• (1) Лента адгезивная Velcro 30 см

Детали можно заказать:

Images SI Inc.

39 Seneca Loop

Staten Island, NY 10314

(718) 698-8305