Ηλεκτρονική, η επιστήμη που δίνει ζωή στις μηχανές
Σύνταξη άρθρου: Ευθύμης Κυρίκος
Επιμέλεια άρθρου: Κωνσταντίνος Ουρανός
Οι ρομποτικές μηχανές είναι μια κατηγορία πολύπλοκων κατασκευών, που σκοπό έχουν την εκτέλεση συγκεκριμένων εργασιών. Ένα ρομπότ, στην πιο απλή του μορφή, μπορεί να περιγραφεί ως μια κατασκευή με κινητά μέρη. Εκτός λοιπόν από τον σκελετό, που είναι το μηχανικό κομμάτι του ρομπότ, σημαντικότατο ρόλο παίζουν και οι συσκευές οι οποίες κινούν και ελέγχουν τις κινήσεις του. Επιπλέον τα ρομπότ απαιτείται να «αισθάνονται» το περιβάλλον γύρω τους, ώστε να αντιδρούν στις εξωτερικές παρεμβολές. Επίσης, απαιτείται να υπάρχει ένας κεντρικός εγκέφαλος που να συνδυάζει όλες τις λειτουργίες και να δίνει «ζωή» στη μηχανή.
Για όλες τις παραπάνω λειτουργίες απαιτείται η χρήση ηλεκτρονικών συσκευών. Οι αισθητήρες είναι οι συσκευές, οι οποίες επιτρέπουν στο ρομπότ να «αντιλαμβάνεται» το φυσικό περιβάλλον μέσα στο οποίο κινείται. Το φυσικό αυτό περιβάλλον αποτελείται από φυσικά μεγέθη (απόσταση, θερμοκρασία, υγρασία, φωτεινότητα, χρώματα και άλλα πολλά). Οι αισθητήρες μετατρέπουν τα φυσικά μεγέθη σε ηλεκτρικό ρεύμα, κατόπιν στέλνουν τα σήματα στον επεξεργαστή, ο οποίος στη συνέχεια ελέγχει τη κίνηση του ρομπότ στέλνοντας ηλεκτρικά σήματα στις αρθρώσεις.
Χρήση της Ηλεκτρονικής, τα ηλεκτρονικά κυκλώματα
Η επιστήμη της ηλεκτρονικής είναι απαραίτητη στη σύγχρονη ρομποτική σε πολλούς τομείς. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα είναι αυτά που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των αρθρώσεων και κατ’επέκταση της κίνησης. Επιπλεόν, ένα ρομποτ για να είναι λειτουργικό χρησιμοποιεί μια κατηγορία ειδικών συσκευών ώστε να μπορεί να «αισθάνεται» και να αλληλεπιδρά με τον φυσικό κόσμο. Οι συσκευές αυτές ονομάζονται αισθητήρες.
- Αισθητήρες
Αισθητήρας ονομάζεται μια συσκευή ή ένα υποσύστημα, σκοπός του οποίου είναι η ανίχνευση γεγονότων ή αλλαγών στο περιβάλλον και η αποστολή των πληροφοριών αυτών σε κάποιον υπολογιστή. Οι αισθητήρες αποτελούν ηλεκτρονικές συσκευές που σκοπό έχουν τη μέτρηση κάποιων μεγεθών του περιβάλλοντος. Το όνομά τους προέρχεται λοιπόν από την ικανότητά τους να «αισθανονται» φυσικά μεγέθη, όπως ακριβώς συμβαίνει και με τα ανθρώπινα όργανα. Αισθητήρες υπάρχουν παντού στην καθημερινότητα μας, όπως είναι λόγου χάρη το γυροσκόπιο και το «gps» των κινητών τηλεφώνων, ο αισθητήρας απόστασης που έχουν τα αυτοκίνητα για το παρκάρισμα και το ηλεκτρονικό θερμόμετρο. Ακόμα και η ψηφιακή κάμερα, αποτελεί έναν αισθητήρα αποτύπωσης εικόνας. Πρέπει να τονιστεί πως η χρήση αισθητήρων είναι απαραίτητη και άρρηκτα συνδεδεμένη με τη ρομποτική σε βαθμό που, αν δεν υπήρχαν δεν θα ήταν εφικτό να κατασκευάσουμε αντίστοιχες συσκευές.
Η λειτουργία του αισθητήρα
Για να κατανοήσει ο αναγνώστης το πώς λειτουργούν οι αισθητήρες, παραθέτουμε στη συνέχεια μερικά παραδείγματα. Η διαδικασία μέτρησης μπορεί να είναι από αρκετά απλή, όπως για παράδειγμα στους αισθητήρες μέτρησης θερμοκρασίας έως τρομερά πολύπλοκη για αισθητήρες μεγάλης ακρίβειας. Η κατασκευή ενός αισθητήρα περιλαμβάνει συνήθως ένα αντικείμενο το οποίο και αισθάνεται το φυσικό μέγεθος, και ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που σκοπό έχει τη βελτίωση της ακρίβειας, και τη δημιουργία ενός ηλεκρικού σήματος ανάλογο με το μετρούμενο μέγεθος. Για να γίνει λίγο πιο κατανοητό θα πάρουμε ως παράδειγμα έναν αισθητήρα μέτρησης της υγρασίας. Ο αισθητήρας αυτός αποτελείται από 2 μεταλλικά ελάσματα και ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Όσο μεγαλύτερη η υγρασία τόσο πιο ισχυρό το ηλεκτρικό σήμα που παράγει ο αισθητήρας αυτός. Στο τέλος συλέγοντας το σήμα αυτό μπορούμε να έχουμε μια τιμή για το μέγεθος που μας ενδιαφέρει έμμεσα από τη μέτρηση ενός ηλεκτρικού σήματος.
Η τεχνολογία των αισθητήρων από τη μεριά της ρομποτικής ήταν ιδιαίτερα ωφέλιμη. Χάρη στους αισθητήρες δίνεται η δυνατότητα αυτονομίας κινήσεων στα ρομπότ, καθώς μπορούν τα ίδια να αισθάνονται και να μετρούν το περιβάλλον γύρω τους. Σήμερα υπάρχουν ρομποτικές μηχανές που περιλαμβάνουν από εκατοντάδες ώς και χιλιάδες αισθητήρες.
- Επενεργητές
Μια ρομποτική κατασκευή, για να μπορέσει να κινηθεί, χρειάζεται κινητά μέρη, ή όπως ονομάζονται με τεχνικούς όρους, ρομποτικές αρθρώσεις. Οι αρθρώσεις αυτές μπορεί να είναι από απλές κατασκευές έως και πολύπλοκες αναλόγως το είδος της κίνησης που χρειάζεται να εκτελέσουν.
Οι επενεργητές λοιπόν είναι συσκευές που περιλαμβάνουν και ηλεκτρονικά μέρη. Μπορούμε να φανταστούμε τον επενεργητή ως μια συσκευή που λαμβάνει ένα ηλεκτρικό σήμα ως εντολή και εκτελεί μια κίνηση. Ενα κλασσικό καθημερινό παράδειγμα τέτοιας συσκευής είναι ο θερμοστάτης, που όλοι γνωρίζουμε πως λειτουργεί. Έτσι λοιπόν μόλις μια συσκευή φτάσει στην επιθυμητή θερμοκρασία, ο θερμοστάτης ανοίγει έναν διακόπτη και αυτομάτως σταματά τη λειτουργία της συσκευής. Κατά τον ίδιο τρόπο σε μια ρομποτική συσκευή, όπου επενεργητής θεωρείται η μηχανή η οποία βρίσκεται πάνω στην άρθρωση και είναι αυτή που λαμβάνει ηλεκτρικό σήμα από τον κεντρικό υπολογιστή και εκτελεί την επιθυμητή κίνηση.
Οι επενεργητές αποτελούν ένα ξεχωριστό κομμάτι του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού. Η ιδιαιτερότητά τους βρίσκεται στη τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τη κατασκευή τους, καθώς κάθε εφαρμογή απαιτεί διαφορετικού είδους επενεργητές. Έτσι, είναι ιδιαίτερα σύνηθες να συνδυάζονται πολλοί επενεργητές μαζί ώστε να εκτελεστεί η απαιτούμενη κίνηση. Ένας ακόμα σημαντικός παράγοντας είναι η αντοχή τους σε φορτίσεις και καταπονήσεις καθώς είναι τα πιο ευαίσθητα σημεία μιας ρομποτικής μηχανής.
- Κεντρικός Επεξεργαστής
Ο κεντρικός επεξεργαστής είναι ο εγκέφαλος ενός ρομπότ. Αποτελεί το σημαντικότερο εξάρτημα του, καθώς όλες οι μετρήσεις και η λειτουργικότητα των επιμέρους εξαρτημάτων καθορίζονται από αυτόν. Ο βασικός κανόνας που διέπει τους επεξεργαστές των ρομπότ είναι «όσο πιο περίπλοκο, τόσο πιο δυνατός και γρήγορος επεξεργαστής χρειάζεται». Σε βιομηχανικούς ρομποτικούς βραχίονες που εκτελούν συγκεκριμένες κινήσεις και έχουν πολύ μικρό αριθμό αισθητήρων και επενεργητών δεν απαιτούνται ιδιαίτερα πολύπλοκοι υπολογισμοί και έτσι χρησιμοποιούνται μικροί, φτηνοί επεξεργαστές. Αντίθετα σε πολύπλοκες ρομποτικές μηχανές όπως τα ανθρωποειδή ή οι μηχανές τεχνητής νοημοσύνης απαιτούνται πολλές χιλιάδες υπολογισμοί ανα δευτερόλεπτο και οι επεξεργαστές πλησιάζουν πολύ εκείνους των ηλεκτρονικών υπολογιστών σε επιδόσεις.
Οι περισσότερες ρομποτικές εφαρμογές σήμερα ωστόσο, δεν απαιτούν τεράστιους υπολογισμούς. Ένα «drone» (τετράπτερα) για παράδειγμα χρειάζεται να παίρνει μετρήσεις από τους αισθητήρες και να δίνει εντολές στους κινητήρες του αρκετά γρήγορα, χωρις ωστόσο να εκτελεί πολύπλοκες διαδικασίες. Αντίστοιχα ένα αυτόνομο όχημα χρειάζεται να λαμβάνει μετρήσεις από τους αισθητήρες του, καθώς και να στέλνει εντολές προς εκτέλεση στους επενεργητές αρκετά γρήγορα. Οι διαδικασίες αυτές είναι απλές στο χειρισμό από σημερινές ηλεκτρονικές συσκευές.
Για εφαρμογές σαν τις παραπάνω έχουν αναπτυχθεί επεξεργαστές με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, μικροί στο μέγεθος και ιδιαίτερα γρήγοροι ώστε να φέρουν εις πέρας τέτοιες διαδικασίες. Οι ηλεκτρονικές συσκευές αυτές ονομάζονται μικροεπεξεργαστές και τα δύο πιο διάσημα μοντέλα σήμερα είναι ο «arduino» και «Rasberry Pi».
Σημείο σταθμός για την ποιότητα, την ικανότητα και την χρήση των μικροεπεξεργαστών αποτελεί το 2012, οπότε και εμφανίστηκε το «Rasberry pi» και άλλαξε για πάντα τον τρόπο που αντιμετωπίζουμε την κατηγορία αυτή των συσκευών. Το «Rasberry pi» αποτελεί από μόνο του έναν μικροεπεξεργαστή έτοιμο να συνδεθεί και να προγραμματιστεί με οποιοδήποτε ρομπότ, έχει θέσεις για να συνδεθούν αισθητήρες, ενώ παράλληλα μπορεί να λειτουργήσει και από μόνος του ως ένας μικρός υπολογιστής, ενώ το κόστος του είναι αμελητέο. Η εξέλιξη αυτή ήταν που έδωσε ώθηση σε πολλές εφαρμογές όπως «drones», έξυπνες τηλεοράσεις με νοημοσύνη, έξυπνα σπίτια, αυτόνομα οχήματα.
Επίλογος
Η εξέλιξη της ηλεκτρονικής μετά την ανακάλυψη των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, εκτός της ραγδαίας εξέλιξης της πληροφορικής βοήθησε σε πολλούς τομείς της μηχανικής. Η σύγχρονη ρομποτική επιστήμη και η ηλεκτρονική συνδέονται άρρηκτα μεταξύ τους. Τις τελευταίες δεκαετίες μάλιστα η αυξανόμενες ανάγκες σε αυτόν τον τομέα δημιούργησαν έναν νέο κλάδο, αυτόν της «μηχανοτρονικής» με αντικείμενο τη σύζευξη μηχανών και ηλεκτρονικών. Σε όλες τις περιπτώσεις το ενδιαφέρον της μιας επιστήμης επηρεάζει την έρευνα στην άλλη.
Πηγές:
- C. A. Grimes, E. C. Dickey, and M. V. Pishko (2006), Encyclopedia of Sensors (10-Volume Set), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-056-X
- Hello Raspberry Pi!; Ryan Heitz; 320 pages; 2016; ISBN 978-1617292453.
- Bennett, S. (1993). A History of Control Engineering 1930–1955. London: Peter Peregrinus Ltd. on behalf of the Institution of Electrical Engineers. ISBN 0-86341-280-7
- Augarten, Stan (1983). The Most Widely Used Computer on a Chip: The TMS 1000. State of the Art: A Photographic History of the Integrated Circuit. New Haven and New York: Ticknor & Fields. ISBN 0-89919-195-9. Retrieved 2009-12-23.
- K. S. Fu, R. C. Gonzalez, G. S. G. Lee, “Robotics : control, sensing, vision, and intelligence,” McGraw-Hill, 1987. (629.892 FU)
- Τζαφέστας, Σπύρος Γ., «Ρομποτική. Τομ. 1: Ανάλυση και έλεγχος» (629.892 ΤΖΑ)
Ηλ. Ταχ.: [email protected]
Σοφία Δρακάκη
Ηλεκτρολόγος Μηχανικός, M. Sc. Computer Engineering
Ευθύμης Κυρίκος
Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Ειδικός Αυτοματισμού και Ρομποτικής