Аннотация
Конспект посвящён миниатюризации техники. Поэтапности создания новой техники на основе старой. Описаны составляющие компоненты микроэлектроники и современные технологи каждого из этих компонентов.
В конспекте: 21страница, 1 таблица и 5 иллюстраций.
Ключевые слова: мини- и микроробототехника, миниатюризация, современный, компоненты, развитие.
Глоссарий
Механтроника - это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.
Датчик – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Микроконтроллер - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.
КПД – коэффициент полезного действия, характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии.
СВЧ – сверхвысокочастотное излучение (длины волн от 1 м — частота 300 МГц до 1 мм — 300 ГГц)
CMOS - КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) — технология построения электронных схем. В более общем случае — КМДП (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник). В технологии КМОП используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.
СБИС – сверхбольшая интегральная схема; кристалл или плёнка с электронной схемой.
Оглавление
Введение........................................................................................................... 5
1 Миниатюризация........................................................................................... 6
2 Миниатюризация информационных компонентов роботов......................... 9
2.1 Информационно-измерительные компоненты.................................. 9
2.2 Информационно-управляющие компоненты и связь...................... 15
3 Миниатюризация силовых компонентов роботов...................................... 16
3.1 Исполнительные компоненты.......................................................... 16
3.2 Источники энергии............................................................................ 18
Заключение.................................................................................................... 20
Список литературы......................................................................................... 21
Введение
Мини, а затем и микророботехника возникли не случайно и даже не как ответ на какие-то конкретные потребности практики. Это объективный результат закономерного развития техники в целом в процессе ее миниатюризации. Действительно, самая древняя тенденция развития техники от каменного века до наших дней, которая в значительно степени определила развитие самой цивилизации, - это повышение точности изготовления технических изделий. В свою очередь это обеспечило их миниатюризацию.
Процесс миниатюризации техники развивается в соответствии с общими закономерностями ее развития в виде последовательности качественных изменений технологий, разделенных этапами эволюционного их совершенствования.
Освоение очередных новых размерностей происходит на уровне отдельных функциональных компонентов создаются целые технические системы новой размерности.
1 Миниатюризация
На (рис. 1) показана тенденция развития техники. Процесс состоит из этапов эволюционного развития, завершающихся переходом на качественно новые виды техники. Над S-образными кривыми эволюционного развития даны названия этих этапов, а снизу – примеры соответствующих типов техники.
Рисунок 1.1 Развитие технических систем
Первый этап миниатюризации начался в механике на основе развития технологий, повышающих точность изготовления деталей. Затем в лидеры вышли часовщики. Именно они создали первые механические изделия счетно-решающей техники – арифмометры, интеграторы и т.п. Механические интеграторы в пятидесятые годы были сменены электромеханическими.
Второй этап миниатюризации начался на базе двухмерных технологий (2D) микроэлектроники сопряженный уже с интеллектуализацией. Символ этого этапа – многослойные платы печатного монтажа. Здесь была достигнута субмикронная точность.
На рубеже XXI столетия, как известно начался третий этап миниатюризации на основе 3D микросистемных технологий. Это уже не электроника, а трехмерная эктромеханика – микроэлектроннномеханические системы (МЭМС). Каждый из перечисленных этапов не сменял предыдущий, а «надстраивал» на ним новый уровень.
Общий принцип миниатюризации техники заключается в последовательном освоении очередного порядка размерностей (таблица 1) в виде нового её поколения. Каждый этап заключается в создании качественно новой техники, требующей соответствующих новых технологий. При этом для реализации последних необходимо технологическое оборудование, основанное на технике предыдущей размерности. Этапы миниатюризации показаны в (рис. 2).
Рисунок 1.2 Развитие компонентов технических систем
Эти этапы происходили во всех областях науки со временем. В основе миниатюризации техники лежит прежде всего миниатюризация ее компонентов.
В основе миниатюризации лежит повышение точности изготовления деталей. Сегодня в этом процессе развития техники, по-прежнему, лидирует на базе микроэлектроники вычислительная техника. Это прежде всего информационно-управляющие компоненты, а за ними с некоторым отставанием следует сенсорика и связь. Их общая база – 2D микротехнологии. Начавшийся качественный переход к 3D микротехнологиям особенно важен для сенсорики и еще более для силовых компонентов – исполнительных и энергопитания. В общесистемном развитии технических систем пока сдерживают именно последние. Здесь происходит возврат к проблеме миниатюризации механики движений. Пока эти компоненты все еще продолжают эволюционировать на идеях прошлых веков. Но общая тенденция очевидна: технологическое сближение всех компонентов и их конструктивное объединение в механтронные системы. Подобно тому, как микроэлектроника, начавшись с отдельных диодов, транзисторов и других элементов электроники, перешла к объединению их во все более крупные интегральные схемы в виде чипов, эволюция МЭМС так же развивается в направлении создания все более крупных технических систем, объединяющих в функциональные компоненты в единые механтронные контруктивы.
2 Миниатюризация информационных компонентов роботов
Информационные компоненты – это информационно-измерительные компоненты, информационно-управляющие компоненты и связь. Они лидируют в процессе миниатюризации так как основаны на вычислительной технике.
Современные информационно-управляющие компоненты выполняются на основе микроконтроллеров и не составляют существенной доли в общем массогабаритном балансе информационной части роботов. Большее значение в этом отношении имеет радиоканал связи с определенной мощности передатчиком для передачи и обмена различной цифровой информацией и аналоговой информацией.
2.1 Информационно-измерительные компоненты
Информационно-измерительные компоненты – это датчики и сенсоры. Обработка первичной информации осуществляется на микроэлектронной базе. Виды датчиков: датчики скорости, перемещения, акселерометры, гироскопы, удельного веса, магнитного поля, химических параметров и т.д. Основная потребительская часть таких датчиков это микророботехника. [1]
В последний период времени научно-технические и технологические достижения микросистемной техники широко используются в различных областях информационной техники и, в том числе, при создании микродатчиков. Особые успехи в области микросистемной техники достигнуты в создании систем, которые в зарубежной литературе именуются как MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) и MOEMS (Micro-Optical-Electro-Mechanical System). На русский язык эти названия могут быть переведены соответственно, как МЭМС (рис. 3) и МОЭМС (микроэлектромеханические и микрооптоэлектромеханические системы). Эти классы систем широко применяют в различных параметрических микродатчиках и сенсорных системах.
Рисунок 2.3 Ядро МЭМС акселерометра
Наиболее важными характеристиками МЭМС являются:
- незначительные затраты материалов и малое потребление электрической энергии;
- высокая эксплуатационная эффективность;
- малая стоимость;
- высокая надежность;
- возможность обеспечения локально распределенных интеллектуальных свойств.
2.2 Информационно-управляющие компоненты и связь
Информационно-управляющие компоненты – устройства обработки сенсорной информации, устройства оценки текущей ситуации и принятия решений. Эти компоненты выполняются на основе микроконтроллеров.
В основном микроконтроллеры применяться там, где приоритетным является уменьшение размеров, потребляемой мощности, увеличение устойчивости к внешним факторам, например, в роботах. Быстродействие, значительно меньше чем у мощных процессоров, но его хватает для выполнения большинства требуемых от устройства функций. Технологии совершенствуется, и быстродействие микроконтроллеров возрастает. Новые поколения микроконтроллеров могут выполнять сложные расчеты за малое время. Но, хотя производители стремятся обеспечить работу своих изделий на высоких частотах, они, в то же время, предоставляют заказчикам выбор, выпуская модификации, рассчитанные на разные частоты и напряжения питания.
На сегодняшний день существует большое количествомикроконтроллеров разных типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8 - битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, а также ARM, которые разрабатывает фирма ARM и продаѐт лицензии другим фирмам. таким, как Atmel (рис. 4). [4]
Рисунок 2.4 Микроконтроллер Atmel
Свзяь аператора с роботом может осуществляться с помощью кабеля и радиосигнала. Каждый из этих способов имеет свои достоинства.
Достоинства передачи информации по кабелю: дистанционное энергоснабжение, слабое ограничение времени работы, передача как цифрового так и аналогово сигнала, высокая помехоустойчивость
Достоинства передачи информации с помощью радиосигнала: независимость от пункта управления, высокая мобильность, высокая скрытность.
3 Миниатюризация силовых компонентов роботов
Силовых компоненты – исполнительные, манипуляционные и транспортные системы и бортовые источники питания. Эти компоненты прежде всего и определяют массогабаритные параметры роботов. Они сдерживают дальнейшие миниатюризацию роботов.
3.1 Исполнительные компоненты
Эти компоненты основаны на технологиях 18 века, поэтому идет поиск идей миниатюризации двигателей. Современный предел миниатюризации приводов – это диаметр ≈ 2 мм.
Одним из первых новых типов электродвигателей следующего порядка размерности, не имеющих принципиальных ограничений по миниатюризации, стали пьезоэлектрические двигатели. Они нашли применение в микророботах размерами 10–30 мм и массой 30–300г.
Пьезодвигателями называют устройства, в которых механическое перемещение достигается за счёт обратного пьезоэлектрического эффекта (рис. 5). Материалы, составляющие основу таких приводов, называют пьезоэлектриками. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров пьезоэлектрика при приложении электрического поля. [3]
Созданные экспериментальные образцы таких двигателей размером менее четверти миллиметра как с поступательным, так и вращательным движениями. Помимо перспектив в миниатюризации пьезоэлектродвигатели имеют так же и более высокий КПД (≈90 
, чем традиционные электродвигатели.
Рисунок 3.5 Принципиальная схема пьезоэлектрического двигателя серии NEXLINE
3.2 Источники энергии
Существуют автономные источники питания и дистанционные. Дистанционными являются энергоснабжение по кабелю и имеет свои недостатки: дальность действия (100-200м) и слабая маневренность робота.
У автономных систем недостатки: ограничение время работы, существенно зависящее от условий эксплуатации, увеличение массы и габаритов робота с соответствующим усложнением его конструкции. Но основной упор в науке идет именно на это энергоснабжение так, как оно обеспечивает высокую мобильность и независимость от пункта управления.
Развитие автономных энергосистем это: поиск принципиально новых способов аккумулирования электроэнергии. Примеры таких решений – портативные топливные элементы на градиентно-пористых матричных структурах и нанобатареи. Ведутся разработки микробных топливных элементов, использующих бактерии, разлагающие органику с получением электричества. Эти разработки основаны на новых нанотехнологиях и поэтому не имеют ограничений в отношении дальнейшей миниатюризации.
Перспективными для роботов представляют беспроводные системы энергообеспечения на основе СВЧ радиопередающих и лазерных фотоэлектрических систем. В первом случае направленное СВЧ электромагнитное поле излучение от стационарного источника принимается направленной антенной робота. Во втором направленное на робота лазерное излучение в пределах прямой видимости принимается фотоэлектрическими батареями.
Современные такие беспроводные системы энергообеспечения пока позволяют передавать на борт микроробота мощность не более долей вольта.
Ведутся исследования по использованию наноконструктурированных материалов, обладающих пьезоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами (на окиси цинка) для создания генераторов. Такие генераторы вырабатывают ток при механическом воздействии, например, ультразвуком или под действием ультрафиолетового излучения.
Ведутся так же поисковые разработки систем энергоподпитки микророботв от внешних электромагнитных полей, создаваемы радио и телестанциями, линиями электропередач и другими источниками. [1]
Заключение
Миниатюризация робототехнических систем развивается в рамках процесса миниатюризации техники в целом. Определяющим для дальнейшей миниатюризации робототехнических систем, как и техники в целом является минимизация силовых компонентов – приводных и энергопитания путем перехода от традиционной ориентации на единые изделия, оптимизируемые на максимум КПД, к их следующим поколениям.
В процессе миниатюризации и перехода от мини- к микроразмерностям развивается тенденция перехода от модульного построения робтехнических систем к система, оптимизируемым на минимуму массогабаритных и других общесистемных параметров.
Список литературы
1. А. В. Иванов Е. И. Юревич Мини- и микророботехника. Санкт-Петербург издательство политехнического университета 2011.
2. Микродатчики реализованные на основе МЭМС и МОЭМС - http://www.microsystems.ru/files/publ/296.htm
3. Пьезоелектродвигатели - http://www.eurotek-general.ru/support/technical-information-about-the-products/%D0%9F%D1%8C%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5%20%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B8/
4. Роботы, механтроника, микроконтроллеры, роботехнические системы - https://miet.ru/upload/content/OTCHETI-MOSK/20/nauch-ssl-rab-elekromeh-priv.pdf
5. Википедия - https://ru.wikipedia.org/wiki
