Генетико-прогностическое описание СС

Техническая реализация СС

Моделирование СС

Сенсорные системы в технической сфере – это чувствительные устройства, предназначенные для получения оперативной информации о состоянии внешней среды. В отдельных системах роботов имеются также различные чувствительные устройства – датчики, необходимые для функционирования этих систем (например, датчики обратной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т.п.). Эти устройства, ориентированные на внутренние параметры робота, не специфичны для него в целом и не относятся к сенсорным системам робота.

По выявляемым свойствам и параметрам сенсорные системы можно разделить на следующие три группы:

Системы, дающие общую картину окружающей среды с последующим выделением отдельных объектов, значимых для выполнения роботом его функций.

Системы, определяющие различные физико-химические свойства внешней среды и его объектов.

Системы, определяющие координаты местоположения робота и параметры его движения, включая его координаты относительно объектов внешней среды.

К сенсорным системам первой группы относятся системы технического зрения и различного типа локаторы. Вторая группа сенсорных систем наиболее многообразна. Это измерители геометрических параметров, плотности, температуры, оптических свойств, химического состава и т.д. Третья группа сенсорных систем определяет параметры, относящиеся к самому роботу. Это измерители его географических координат в пространстве от спутниковых систем до использующих геомагнитное поле Земли, измерители угловых координат (гироскопы), измерители перемещения и скорости, в том числе и относительно отдельных объектов внешней среды вплоть до фиксации соприкосновения с ними.

В составе робота все эти сенсорные системы ориентированы на обслуживание двух исполнительных систем – передвижения и манипуляционной. Это определяет и основные требования к сенсорным системам – дальность действия, точность, быстродействие и т.д.

Сенсорные системы, используемые в системах передвижения робота подразделяются на системы, обеспечивающие навигацию в пространств' и системы, обеспечивающие безопасность движения (предотвращение столкновений с препятствиями и опрокидываний на уклонах, попадали в недопустимые для робота внешние условия и т.п.).

Сенсорные системы, обслуживающие манипуляторы, тоже образуют две подгруппы: системы, входящие в контур управления движением манипулятора, и системы, очувствления его рабочего органа. В число последних систем часто входят размещенные у рабочего органа манипулятора системы технического зрения и измерители усилий.

Важным параметром сенсорных систем является дальность действия. По этому показателю сенсорные системы роботов можно разделить на контактные, ближнего, дальнего и сверхдальнего действия.

Контактные сенсорные системы применяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса (бампера) мобильных роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды (тактильные сенсоры), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (сило-моментные сенсоры), определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством. Контактным сенсорным системам свойственна простота, но они накладывают существенные ограничения на динамику и прежде всего на быстродействие управления роботом.

Тактильные сенсоры помимо получения информации о контакте применяются и для определения размеров объектов (путем их ощупывания). Они реализуются с помощью концевых выключателей, герметизированных магнитоуправляемых контактов, на основе токопроводящей резины («искусственная кожа») и т. д. Важным требованием, предъявляемым к этим устройствам, является высокая чувствительность (срабатывание при усилии в единицы и десятки грамм), малые габариты, высокая механическая прочность и надежность.

Сенсорные системы ближнего действия обеспечивают получение информации об объектах, расположенных в непосредственной близости от рабочего органа манипулятора или корпуса робота, т. е. на расстояниях, соизмеримых с их размерами. К таким системам относятся оптические локаторы, дальномеры, дистанционные измерители плотности грунта и т. п. Такие бесконтактные устройства технически сложнее контактны», но позволяют роботу выполнять задание с большей скоростью, заранее выдавая информацию о различных объектах до соприкосновения с ними.

Сенсорные системы дальнего действия служат для получения информации о внешней среде в объеме всей рабочей зоны манипуляторов роботов и окружающей среды мобильного робота.

Сенсорные системы сверхдальнего действия применяются главным образом в мобильных роботах. К ним относятся различные навигационные системы, локаторы и другие сенсорные системы соответствующей дальности действия. Эти устройства находят применение и в стационарных роботах при работе с подвижными объектами, чтобы заранее предвидеть их появление в рабочей зоне.

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой информации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т. д.) и естественные излучения среды и ее объектов. В зависимости от этого различают активные и пассивные сенсорные системы. Активные сенсорные системы имеют передатчик, излучающий первичный сигнал, и приемник, регистрирующий прошедший через среду прямой сигнал или вторичный сигнал, отраженный от объектов среды. Пассивные системы имеют, естественно, только приемное устройство, а роль излучателя играют сами объекты внешней среды. Поэтому пассивные сенсорные системы технически обычно проще и дешевле активных, но менее универсальны. Для некоторых применений важна также скрытность действия пассивных систем. (Заметим, что все органы чувств человека являются пассивными. Однако у некоторых животных (летучие мыши, дельфины), поскольку подобные системы и, прежде всего, зрение не обеспечивают их необходимой информацией, существуют и активные сенсорные системы.)

Наконец, сенсорные системы роботов можно разделить на системы с фиксированным направлением восприятия и с переменным (сканирующие).

В настоящее время для очувствления роботов наиболее широкое применение получили системы технического зрения, локационные, сило-моментные и тактильные. Наиболее универсальными из них являются системы технического зрения. Развитие систем технического зрения и использующих их очувствленных роботов стало одним из определяющих направлений современной робототехники. При этом наряду с изучением и использованием методов решения этой задачи, присущих живой природе, широким фронтом ведутся разработки технических решений, не имеющих аналогов в природе. По сравнению со зрением живых организмов задачи технического зрения проще, так как для них, как правило, существенно более ограничен и заранее известен перечень объектов внешней среды, с которыми предстоит иметь дело. Часто также существует возможность специально организовать внешнюю среду для облегчения работы видеосистем. Например, для распознавания объектов можно маркировать их, применять контрастирующие с объектами поверхности, на которых они расположены, специальные системы освещения и т. д.

Вместе с тем по сравнению с видеосистемами других назначений к системам, предназначенным для использования в составе роботов, предъявляются такие важные требования, как необходимость работать в реальном масштабе времени и иметь высокую надежность при невысокой стоимости.

Системы технического зрения могут быть монокулярными, бинокулярными (стереозрение) и многоракурсными (с большим числом «точек зрения»). Специфическим для роботов вариантом является применение подвижных видеосенсорных устройств, в том числе размещаемых непосредственно на манипуляторах.

Зрительная информация обрабатывается иерархически на нескольких уровнях аналогично тому, как это происходит в живых организмах. В аппаратной реализации эти уровни образуют 2 основных этапа обработки информации. Первый этап – предварительная обработка первичной зрительной информации с целью сокращения объема информации с выделением только той, которая необходима для функционирования робота при выполнении им конкретных операций.

Для этого используются методы пространственно-временной фильтрации, подобной реализуемой в нейронных системах живых организмов. Поэтому на данном этапе применяются технические нейроподобные структуры и аналоговые оптические системы параллельной обработки информации, в том числе с использованием голографических методов. Да втором этапе информация обрабатывается тоже иерархически путем последовательного выделения все более общих признаков объектов внешней среды и формирования моделей среды той степени абстракции, которая необходима для решения на ее основе конкретных задач, стоящих перед роботом.

Конструктивно сенсорные устройства размещают на рабочих органах манипуляторов (устройства ближнего действия), на корпусе робота или вне робота (устройства дальнего и сверхдальнего действия). На рис. 2.10 показаны примеры очувствленных схватов роботов.

Рис.2.10. Очувствленные схваты ЦНИИ РТК:

1 – СЗУ 1 с девятью ультразвуковыми датчиками;

2 – ССЛТ-1 с девятью тактильными и восемью световыми локаторами;

3 - ССЛТ-2 с 26 тактильными датчиками и 16 световыми локаторами;

4 – СУЗ-2 с 12 ультразвуковыми локаторами.

2.5. Эволюция развития сенсоров у биологических организмов

3.1.1. Систематика

Стороннему наблюдателю может показаться удивительным, что биологическая систематика до сих пор не завершена и не согласована. Даже число крупнейших групп (типов), на которые подразделяется царство животных, остается предметом противоречий. Кроме того, с введением Хеннигом в 50-е годы XX века не-эволюционной кладистической схемы классификации, систематики оказались в центре горячей полемики. К счастью, нам нет необходимости вступать на это «минное поле». Наш интерес к положению организмов в классификации имеет выраженную эволюционную природу. Наш интерес к органам чувств животных, а не только нашим собственным, обусловлен не просто тем, что они существуют (хотя и это вполне уважительная причина), но главным образом тем, что их изучение способно пролить свет на сенсорные системы человека, а также продемонстрировать альтернативные пути решения тех же самых проблем. В некоторых случаях – это радикально иные решения (глаза насекомых и позвоночных), в других – поразительно схожие (глаза головоногих и позвоночных). Понимание эволюционных связей между группами животных – это основа полного понимания сенсорных систем животных и, в частности, тех, которые приобрели мы сами.

3.1.2. Классификация на шесть царств

Мы будем использовать общепринятую схему классификации организмов на шесть царств: Archaebacteria (архебактерии), Eubacteria (собственно бактерии), Protista (протисты), Plantae (растения), Fungi (грибы) и Animalia (животные). Внутри этих шести царств организмы подразделяются далее на большие группы со сходным планом строения, которые называются типами. Такой принцип классификации, как и можно было ожидать, куда более очевиден на многоклеточных – грибах, растениях и животных, чем в трех царствах одноклеточных. Действительно, классификация оказывается общепринятой только для царства животных. В изучении сенсорных систем именно оно занимает доминирующее положение, потому и наше внимание по большей части будет сконцентрировано на нем.

3.1.3. Одноклеточные

Archaebacteria и Eubacteria часто объединяются в единую группу «бактерий» или, иногда, монер (Moneres – греч., одинокий). Известно свыше 5 000 видов, представляющих собой маленькие клетки без ядра и органоидов. Поскольку эти клетки не имеют ясно выраженного ядра (т. е. нуклеиновые кислоты не отделены от цитоплазмы ядерной мембраной), они получили наименование прокариот. В течение прибл. 2 миллиардов лет (начиная с 3 600 млн лет назад до 1 600 млн лет назад) монеры владели миром. Сенсорные системы бактерий, конечно, предельно просты. Однако они представляют для нас значительный интерес, поскольку на них часто можно проследить, по крайней мере на биохимическом уровне, зачатки тех бесконечно сложных систем, которые развились у животных.

Спустя 2 млрд лет появились более крупные и более сложные клетки – эукариоты. Вероятно, они более тесно связаны с архебактериями, чем с собственно бактериями. Все эукариоты имеют выраженное ядро (их генетический материал сосредоточен за ядерной мембраной) и органоиды, такие как митохондрии, хлоропласты и т. д., локализованные в цитоплазме. Ранние классификации объединяли автотрофных эукариот с растениями в Prophyta, а гетеротрофных – с животными в Protozoa (простейшие). Более современный альтернативный анализ предполагает, что одноклеточные эукариоты схожи друг с другом значительно больше, чем с многоклеточными животными, растениями и грибами, и к тому же сама многоклеточность могла возникать несколько раз. Исходя из этого одноклеточные эукариоты и объединены в отдельное царство Protista или Protoctista (protos – первичный, kristos – устанавливать, греч.). Протисты – чрезвычайно разнообразная группа, подразделяющаяся на типы, которых насчитывается до 30, однако, в этой книге они, в основном, не фигурируют. С нашей точки зрения, самое интересное, возможно, заключается в наличии у них наиболее ранних фоторецепторов – различных типов светочувствительных пятен. Они обнаружены в типе Eustigmatophyta, Chlorophyta и, особенно, Euglenophyta (Euglena viridis), а также у некоторых представителей динофлагеллят (Pouchetia sp., Erythropsidinium pavillardii).

Рис. 4.1. (А) (а) Спиральное и (б) радиальное дробление. По Caroll, 1988. (Б) Первичноротые и вторичноротые. (а) Бластула; (б) инвагинация при формировании гаструлы. Бластоцель в основном смыкается, и образуется первичная кишка или архэнтерон, открытый во внешнюю среду (бластопор). У первичноротых он в дальнейшем формирует рот, а у вторичноротых возникает еще одна инвагинация (на противоположном от бластопора конце эмбриона), которая прорывается в архэнтерон. Здесь формируется рот, тогда как по соседству (рядом с зарастающим бластопором) прорывается вторичный анус.

3.1.4. Многоклеточность

Многоклеточность, вероятно, возникла около 1 млрд лет назад. Биологи выделяют три царства многоклеточных – грибы, растения и животные. Только последнее представляет интерес для данной работы. Здесь тоже имеется несколько различных методов классификации. В старых работах царство животных подразделялось на три полцарства: Protozoa (простейшие), Parazoa (Mesozoa, губки) и Metazoa (истинно многоклеточные). Позже, как мы видели, Protozoa были объединены с другими одноклеточными формами в царство Protista. Animalia (животные), в свою очередь, подразделяются на два под-царства – Parazoa и Metazoa. Parazoa далее подразделяются на Porifera (губки) и Placozoa (с единственным видом Trichoplax adhaerans, размером с большую амебу). Все остальные животные образуют Metazoa – многоклеточных. Старая (в высшей степени антропоцентрическая) классификация делит многоклеточных на позвоночных и беспозвоночных – в зависимости от наличия или отсутствия позвоночного столба. Такая классификация остается общепризнанной и общеупотребительной, но необъективной из-за нашего самомнения. Позвоночные (если быть более точным – черепные) образуют два подтипа внутри типа Chordata (хордовые), одного из более чем тридцати в подцарстве Metazoa.

Рис. 4.2. Эволюционные взаимоотношения между основными группами организмов. Числами (в млн лет) показана давность дивергенций. Псевдоце-ломические животные представлены нематодами (напр. С. elegans).

3.1.5. Первичноротые и вторичноротые

Если внимательно рассмотреть ранний эмбриогенез целомических многоклеточных, то мы обнаружим несколько фундаментальных черт, которые предполагают разделение их на две большие группы форм животных: ветвь кольчатых червей – членистоногих – моллюсков (КЧМ) и ветвь иглокожих – хордовых (ИХ) (рис. 4.3). У кольчатых червей – членистоногих – моллюсков первые деления зигот (деления дробления) имеют спиральный характер (рис. 4.1 А(а)). Слои дочерних клеток (бластомеров) выстраиваются со сдвигом относительно друг друга. Проспективная судьба клеток таких зародышей детерминирована. Если одна из них удалена, соответствующая часть организма не сформируется. Напротив, в линии развития иглокожих – хордовых зигота претерпевает радиальное дробление (рис. 4.1 А(б)), а слои клеток расположены строго один над (под) другим. Судьбы бластомеров на этой стадии строго не детерминированы. Если один из них удален, остальные способны это компенсировать, так что формируется нормальный зародыш.

Рис. 4.3. Эволюционное древо царства животных. Всего насчитывается около 30 типов, но на рисунке показаны только те, которые включают виды, упоминающиеся на последующих страницах этой книги. Возникновение царства из протестов произошло около 1 млрд лет назад. Некоторые важные стадии формирования плана строения показаны на основном стволе схемы: билатеральная симметрия (BILATERALIA); выраженная полость тела (целом), отделяющая кишку от мускулатуры (COELO-МАТА); развитие рта из бластопора (PROSTOMA-ТА – первичноротые) или на противоположном конце (DEUTEROSTOMATA -вторичноротые). Все эти важные события эволюции имели место в докембрийский период.

Далее, две эти большие ветви демонстрируют глубокие различия путей формирования целома (полости тела). В линии КЧМ это происходит в результате расщепления мезодермы (шизоцель). В линии ИХ это происходит в результате отшнуровки выпячиваний кишки (энтероцель).

Наконец, важное различие – в том, как формируется рот. Сфера из клеток, образующаяся в результате делений дробления оплодотворенной яйцеклетки – бластула – затем инвагинирует, формируя первичную кишку – архэнтерон. Этот процесс называется гаструляцией. В ветви КЧМ отверстие первичной кишки – бластопор – в конце концов развивается в рот взрослой особи. Животные, у которых рот развивается таким образом, относятся к первичноротым. Напротив, в ветви ИХ рот развивается иначе. В этом случае новое отверстие в конце концов возникает на конце, противоположном бластопору, а бластопор преобразуется в анус (рис. 4.1 А(б)). Животные с таким типом развития относятся к вторичноротым (поскольку рот развивается у них «вторично»). Эти два термина – первичноротые и вторичноротые – обычно употребляются для обозначения двух упомянутых выше крупных ветвей развития.

Хотя т. н. «биогенетический закон» Геккеля (онтогенез отражает филогенез), в настоящее время принимается со значительными оговорками, нет сомнений, что последовательность событий раннего эмбриогенеза сложилась в эволюционной истории очень давно. Из этого ясно, что и принципиальные различия эмбриогенеза первично- и вторичноротых возникли в филогенезе очень рано. Молекулярно-биологические данные предполагают, что их общий предок существовал более, чем 670 млн лет назад. Недавние работы отодвинули этот срок на еще более давний срок – порядка 830 млн лет. Таким образом, эти две ветви в течение более трех четвертей миллиарда лет развиваются независимо друг от друга. Это делает возможность сравнения органов чувств между этими ветвями особенно интересной – нам нет необходимости лететь на другую планету, чтобы получить возможность сравнения с эволюционными альтернативами форм жизни, основанных на углероде.

В заключение, накапливаются молекулярно-биологические данные, дающие основания полагать, что первичноротые очень рано разделились на две крупных группы. Первая из них – Ecdyozoa – включающая, помимо прочих, нематод и членистоногих и характеризующаяся твердым наружным покровом, что требует периодических линек (ecdysis) для обеспечения возможности роста. Другая – Lophotrochozoa – жестким покровом не обладает (что, правда, отрицательно сказывается на их защищенности) и включает плоских и кольчатых червей, моллюсков, а также несколько других типов животных.

Дата добавления: 2014-12-29