ПособиеИМН

В). После исчерпания возможностей циклов А и Б происходит переход к более рациональному физическому принципу действия, после чего циклы А и Б повторяются.

Хотя эта гипотеза может вызывать возражения, так как, например, одновременно существуют различные типы электростанций, но она может быть полезна проектировщику. Практический вывод из нее весьма прост - не останавливаться на совершенствовании конструкции, улучшая количественно ее критерии, а искать новые структуры ТО, новые физические принципы действия и построения. Естественно, скачки к новым классам ТО могут и будут происходить до исчерпания возможностей существующих конструкций.

Конечно, такой подход несколько механистичен, предполагает возможность нахождения оптимума и поиск физических принципов для реализации конструкции из известных в настоящее время принципов. Всего сто лет назад конструктор, перебирая возможные принципы построения электростанций, не мог анализировать применение атомной энергии и т. д.

Но этот подход не решает проблему появления принципиально новых идей, которые способны генерировать творческие люди, даже когда отсутствует научная и техническая база для их реализации. Человек генерирует неосуществимые идеи и все равно, со временем, добивается их реализации мечта о полете, о видении на расстоянии существовали тысячелетия, и все равно оказались реализованными. Сейчас: о путешествии во времени, о телепортации …).

Выдвинутая гипотеза показывает, что чрезвычайно важно изучать историю развития технических объектов, отслеживать динамику изменения их критериев оценки, определять исторический этап развития ТО, обнаруживать потребность принципиальных изменений.

Опытные конструктора всегда стремятся изучать историю развития своих объектов проектирования. В этой связи надо отметить, что чрезвычайно интересно и полезно создание музеев средств производства, робототехнических систем.

При создаиии робототехнических систем в качестве научноисследовательской части было бы интересно исследовать новые принципы получения движения, создания новых типов электродвигателей, искусственных мышц на основе сплавов с памятью формы, органических волокон, пьезо- и магнитострикционных двигателей и т.д.

Закон соответствия между функцией и структурой.

Каждый элемент ТО имеет, хотя бы одну функцию по реализации функции всего ТО, т.е. исключение элемента приводит к ухудшению какоголибо критерия ТО или к прекращению выполнения им своей функции. При анализе известного ТО следует помнить, что лишних элементов быть не может. Если существующий объект работоспособен и без некоторых

элементов, то мы просто игнорируем некоторые критерии, заложенные при его проектировании.

Например, можно снять кожух закрывающий клиноременную передачу. Объект сохранит работоспособность, но ухудшится критерий безопасности и т.д. Это всегда нужно помнить при анализе существующих конструкций, при рассмотрении аналогов и прототипов конструкции. Непонимание функции каких-либо элементов может приводить к существенному ухудшению свойств объекта при его копировании или к его удорожанию.

При анализе функциональной структуры объекта существует большое поле деятельности по ее оптимизации, которая может заключаться в объединении многих функций в одном элементе конструкции, так и в разделении функций между вводимыми дополнительными элементами. Все это может требовать расчетного или экспериментального обоснования, что может составлять исследовательскую часть магистерской диссертации.

Закон стадийного развития техники.

Технические объекты с функцией обработки материального предмета труда имеют четыре стадии развития с последовательным исключением человека из процесса материального производства:

-из технологической функции; -из энергетической функции; -из управленческой функции; -из функции планирования.

Например, в истории развития токарного станка это: резец, водяное колесо электропривод), устройство ЧПУ, система CAD-CAM-CAP.

Перестройка структуры металлорежущего оборудования позволила создать станки, практически не имеющие ограничений формообразования. С другой стороны, совершенствование конструкционных материалов, подлежащих обработке, показало ограничения процесса резания, что привело к поиску новых физических и химических принципов обработки. Так появилась электроэрозионная обработка, лазерная, плазменная, гидравлическая и гидроабразивная и др.

При развитии робототехники и мехатроники совершенствование структуры объекта идет параллельно с развитием систем управления. Если на первом этапе это системы работающие по жесткой программе, дистанционно управляемые манипуляторы, далее супервизорные системы, часть управления в которых выполняет сам технический объект, то основная тенденция сегодня – создание ТО полностью адаптивных и осуществляющих управление самостоятельно например, автоматические транспортные системы).

В данной области при выполнении магистерской диссертации существуют различные направления научных исследований, связанные с изменением алгоритмов управления робототехническими системами, новыми методами получения информации об окружающей среде изменением систем

датчиков), способами обработки поступающей от них информации и т.д. Естественно, что все предлагаемые изменения должны быть подтверждены необходимыми расчетами, компьютерным моделированием или экспериментальными исследованиями. Это также может составлять научно-исследовательскую часть магистерской диссертации.

2.2 Анализ проектной ситуации поиск аналогов и выбор прототипа

При проектировании ТО обычно существует либо описание проектной ситуации с указанием целей проектирования и условий реализации функций ТО, либо техническое задание в которой четко сформулированы критерии развития проектируемого объекта функциональные, технологические и т.д.).

В первом случае задача проектировщика усложняется, так как ему приходится самому определить эти критерии, соответствующие эффективному решению для данной проектной ситуации. Это также может служить основанием для проведения исследовательской работы, связанной с расчетами, экспериментами и моделированием.

Определение поля возможных методов решения проблемы.

Если недостаточно эрудиции проектировщика, накопленного опыта в проектной организации, то он прибегает к анализу литературы, патентных источников, опросу экспертов под экспертом понимается любой специалист в конкретных отраслях техники, причастный к решению таких же или похожих проблем).

Этот этап наиболее труден для реализации, так как тематические каталоги всех письменных и электронных источников просмотреть невозможно и, чтобы найти нужные сведения, приходится просматривать большой объем информации. В этом случае используются тематические каталоги литературы, определяются классы патентных источников по способам и устройствам отвечающим данной проектной ситуации. Например, классы патентов B62D57/032, B62D57/02 содержат конструкции различных транспортных шагающих устройств. Классы патентов определяются по классификатору, который имеется в интернете.

Найденные конструкции в наибольшей степени отвечающие проектной ситуации, обладающие требуемым набором функциональных критериев, называются аналогами, а наиболее близкий из них может быть выбран в качестве прототипа. Если имеется аналог, обладающий полным набором требуемых функциональных характеристик, то он мог бы использоваться без проведения дальнейшей проектной работы. Однако во многих случаях проектная ситуация требует улучшения его технологических, экономических или других критериев, что требует значительной аналитической работы по поиску методов такого улучшения. Если же функциональные критерии не соответствуют проектной ситуации, то проектная работа может быть связана

с возникновением технических противоречий, преодоление которых может потребовать не только проведения исследований, но и значительных творческих усилий, прорывных решений, что и делает работу конструктора проектировщика наиболее интересной.

Так известно множество конструкций мехатронных шарнирных узлов роботов манипуляторов. Для применения в космических условиях требуется снижать до минимума массу и габариты этих устройств при высоких энергетических способностях. Такие решения могут осуществляться применением новых высокопрочных материалов, однако их возможность применения в космических условиях может потребовать проведения специальных исследований.

Методам устранения технических противоречий посвящено большое количество литературы [2,3,4,5].

Аналитический обзор решений посвященных данной проектной ситуации может рассматриваться как научно-исследовательская часть магистерской проектной диссертации, если в нем произведен сравнительный анализ найденных аналогов с выявлением их преимуществ и недостатков и определены пути требуемого изменения функциональных или других критериев развития технологических, экономических, антропологических).

Сравнительный анализ различных аналогов и выявление наиболее эффективного из них в условиях данной проектной ситуации может выполняться методами многокритериальной оптимизации , одним из которых является морфологический анализ [1].

Вопросы для самопроверки:

1.Требуется ли научно-исследовательская часть в магистерской работе посвященной проектированию робототехнической системы?

2.Какие функциональные критерии оценки могут применяться к загрузочному роботу-манипулятору?

3.Какие технологические критерии оценки технического объекта Вы знаете?

4.В каких случаях требуется проводить исследования для определения функциональных критериев технического объекта?

5.Как проявляется закон стадийного развития техники в совершенствовании робототехнических систем?

6.Чем отличается аналог технического решения от прототипа?

7.В каких случаях анализ проектной ситуации требует проведения НИР?

8.При изменении каких критериев развития и в каких случаях требуется проведение НИР?

3. Методологические основы научного знания

Наука - одна из сфер человеческой деятельности, функцией которой является производство и систематизация знаний о природе, обществе и

сознании. Наука является важнейш составляющей духовной культуры. Она характеризуется следующими взаимосвязанными признаками:

–совокупность объективных и обоснованных знаний о природе, человеке, обществе;

–деятельность, направленная на получение новых достоверных знаний;

–совокупность социальных институтов, обеспечивающих существование, функционирование и развитие познания и знания.

Задачами науки являются:

–собирание, описание, анализ, обобщение и объяснение фактов;

–обнаружение законов движения природы, общества, мышления и

познания;

–систематизация полученных знаний;

–объяснение сущности явлений и процессов;

–прогнозирование событий, явлений и процессов;

–установление направлений и форм практического использования полученных знаний.

3.1Классификация наук – это раскрытие их взаимной связи на основании определенных принципов и выражение этих связей в виде логически обоснованного расположения или ряда. Классификация наук раскрывает взаимосвязь естественных, технических, общественных наук и философии. В настоящее время различают науки в зависимости от сферы, предмета и метода познания:

1) о природе – естественные;

2) об обществе – гуманитарные и социальные; 3) о мышлении и познании – логика, гносеология, эпистемология и др.

ВКлассификаторе направлений и специальностей высшего профессионального образования с перечнем магистерских программ специализаций) по направлениям образования выделены:

1) естественные науки и математика физика, химия, география, механика, биология, геология, экология и другие); 2) гуманитарные и социально-экономические науки филология,

философия, история, политология, культурология, журналистика, психология, социология, экономика, искусство, физическая культура, искусство и другие); 3) технические науки строительство, архитектура, электроника,

геодезия, телекоммуникации, металлургия, горное дело, радиотехника и другие); 4) сельскохозяйственные науки агроинженерия, лесное дело, агрономия,

зоотехника, ветеринария, рыболовство и др.). Науки по методу познания подразделяется:

–на эмпирические науки, которые более углубленно изучают знания, полученные в результате материальной практики или благодаря непосредственному контакту с действительностью. Главными методами эмпирических наук являются наблюдения, измерения и эксперименты.

Эмпирические познания предоставляют науке факты, при этом фиксируются устойчивые связи и закономерности окружающего нас мира;

– на теоретическое знание, которое является результатом обобщения эмпирических данных. На теоретическом уровне формулируются законы науки, которые дают возможность объяснения и предсказания эмпирических ситуаций, т.е. познания сущности явлений. Всегда теоретическое знание опирается на эмпирическую действительность.

Это определило одну из основных функций науки – быть производительной силой общества.

Научные открытия 18…20 веков позволили человечеству овладеть электрической энергией, атомной энергией позволили совершенно преобразовать сферу материального и энергетического производства.

Открытие в радиоэлектронике изменили возможности передачи и обработки информации, что позволило значительно продвинуться в области создания систем управления и автоматизации производства.

По отношению к практике – науки подразделяют на фундаментальные и прикладные. Цель фундаментальных наук – познание основных законов природы, общества и мышления, а прикладных – практическая реализация результатов деятельности фундаментальных отраслей науки.

Фундаментальные исследования ведутся без цели получить практический результат, а опираются на ориентировочный рефлекс всякого живого существа, который позволяет ему эффективно выживать в окружающей среде. Этот рефлекс наиболее присущ высшим млекопитающим: обезьянам, кошкам и т.д. и конечно человеку. Исследования до конца 19 века часто проводились непосредственно на средства самого исследователя и определялись его познавательной потребностью в какой-то области. Так при исследовании прохождения тока в разряженных газах были открыты электроны, при исследовании фосфоресценции некоторых минералов – радиоактивность, при Распространении электронов в вакууме – рентгеновские лучи. Все эти открытия привели к перевороту в практической деятельности людей.

В настоящее время фундаментальные исследования ведутся большими коллективами ученых, связаны с огромными затратами, финансируемыми государством и определяются страхом государств проиграть в конкурентной экономической борьбе или в военной отрасли. Хотя может быть здесь также действует ориентировочный рефлекс, проявляющийся на уровне коллективного бессознательного. Хотя обоснование финансирования в парламентах любой страны под лозунгом «ведь это очень интересно» заведомо невозможно.

Фундаментальные науки – теоретическая физика дала обоснование возможности получения огромного количества энергии при синтезе легких ядер и показала требуемые для этого условия. Прикладные исследования позволили создать термоядерную бомбу и в настоящее время ведутся по созданию устройств для реализации управляемой термоядерной реакции.

Фундаментальные исследования привели к созданию лазеров различных типов. Прикладные исследования привели к созданию лазерных технологических установок, систем лазерного сканирования, медицинских установок и т.д.

Ранее принималось за аксиому, что наука определяет мировозрение ученых и является базой атеизма. Но опыт показывает, что достижения науки находятся и вне морали и никаким образом не подтверждают или опровергают идеологических догм. Одной и той же областью науки занимаются с успехом ученые придерживающиеся различных религиозных, атеистических, материалистических позиций. Поэтому утверждающаяся некоторыми философами определяющая и методологическая роль философии в развитии науки вряд ли находит подтверждение.

Знаменитые ученые всех времен, определившие главные направления развития науки, не только имели выдающиеся научные достижения, но и существенным образом повлияли на мировоззрение и стиль мышления своего времени.

3.2 Основные научные понятия

Знание – это проверенный практикой результат познания действительности, правильное её отражение в сознании человека. В этом смысле в сознании человека находится только очень ограниченный объем знания. А все знание, накопленное человечеством, хранится в информационных базах, среди которых наиболее важные это библиотеки и в настоящее время электронные базы. Человечество предпринимает определенные усилия по сохранению этих знаний путем их дублирования, надежного укрытия от природных и других катастроф. В памяти человечества осталась гибель Александрийской библиотеки с утратой возможно очень важных знаний накопленных человечеством до нашей эры.

Познанием называют движение человеческой мысли от незнания к знанию. Если знание является результатом, то познание - это процесс его получения. Познание осуществляется не только в ходе научной деятельности, но и в практической деятельности людей. Процесс познания считается бесконечным. Что пока полностью подтверждается практикой, открываются новые области познавательной деятельности, но и изменяются знания в ранее уже сформировавшихся областях знаний. Так в 20 веке произошел переворот в знаниях о наследственности, строении атомов, атомных ядер и т.д.

Основным критерием истинности знания, его полезности является практика.

Идея – интуитивное объяснение явления без промежуточной аргументации и осознания всей совокупности связей. В процессе познания ученый может выдвигать, формулировать различные идеи, которые могут им же логически опровергаться, экспериментально или теоретически подтверждаться или опровергаться. Например, при поиске способов перемещения роботов по вертикальным поверхностям могут рассматриваться

идеи удержания магнитным полем, вакуумом, адгезией, аэродинамическими силами, электростатическим полем и т.д. Эти идеи могут обосновываться расчетами, экспериментами. Главное при выдвижении идей в прикладных исследованиях их не противоречивость с известными законами природы.

Вфундаментальных исследованиях наоборот иногда наиболее ценными бывают не тривиальные идеи.

Гипотеза – предположение о причине, которая вызывает данное следствие. Наука вообще развивается путем выдвижения гипотез. Когда из экспериментов выяснилось сложное строение атомов из трех видов частиц, возникла гипотеза о его устройстве по типу солнечной системы планетарная модель атома). Предполагалось, что электроны движутся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра. Однако теоретические расчеты показывали, что при такой модели атома он должен излучать электромагнитные волны и терять энергию, что не соответствовало действительности. Отказ от этой гипотезы привел к полному пересмотру законов механики и возникновению квантовой механики.

Всвоем развитии гипотеза проходит три основных стадии:

1)накопление фактического материала и высказывание на его основе некоторых предположений;

2)развертывание предположений в гипотезу;

3)проверка и уточнение гипотезы.

Существуют основные правила выдвижения и проверки гипотезы:

–гипотеза должна находиться в согласии или быть совместимой со всеми факторами, которых она касается;

–из многочисленных противостоящих одна другой гипотез, выдвинутых для объяснения серии фактов, предпочтительнее та, которая объясняет наибольшее их число;

–для объяснения связи серии фактов нужно выдвигать как можно меньше разных гипотез;

–при выдвижении гипотезы необходимо сознавать вероятностный характер ее выводов;

–гипотезы, которые противоречат друг другу, не могут быть истинными. Исключением может быть случай, когда они объясняют различные стороны одного и того же объекта.

Закон – необходимые, устойчивые, повторяющиеся отношения между явлениями в природе и обществе. Наиболее фундаментальные знания о природе сформулированы в виде законов. Таковыми являются закон сохранения энергии, законы механики Ньютона, закон всемирного тяготения и т.д. Вера в незыблемость открытых законов природы все время подвергается сомнению. Так закон сохранения вещества был поставлен под сомнение, когда было открыто явление перехода массы в энергию. Сейчас признается закон эквивалентности массы и энергии Е = mc2).

Теория – форма научного знания, дающая целостное представление о

закономерностях и существенных связях действительности. Теория - это гипотеза подтвержденная практикой и позволяющая ее использовать для предсказания поведения различных систем. Так в настоящее время астрономами используется теория о красном смещении света от далеких объектов удаляющихся от нас. На основе этой теории сделан важнейший вывод о расширении вселенной. Различные теории для практического использования выражаются математическими зависимостями, позволяющими быстро прогнозировать научный или технический результат. Таковы уравнения математической физики, описывающие явления теплопроводности, аэро- и гидродинамики и т.д.

.

3.3 Методы научного познания

Развитие науки идет от сбора фактов, их изучения, систематизации, обобщения и раскрытия отдельных закономерностей к логически стройной системе научных знаний, которая позволяет объяснить уже известные факты

ипредсказать новые. Путь познания – это путь от живого созерцания к абстрактному мышлению.

Процесс познания, как и развитие науки, начинается со сбора фактов. Но факты сами по себе это еще не наука. Они становятся частью научных знаний лишь в систематизированном, обобщенном виде. Факты можно систематизировать с помощью простейших абстракций – понятий определений), являющихся важными структурными элементами науки.

Одной из важных форм знания являются принципы (постулаты), аксиомы. Под принципом понимают исходное положение какой-либо отрасли науки аксиомы Евклидовой геометрии, аксиомы о видах фундаментальных взаимодействий в природе и т.д.). Эти базовые принципы многих наук вводятся без доказательств и на их базе строится целая отрасль науки имеющая практическое значение. Так введены закон всемирного тяготения, закон взаимодействия электрических зарядов, понятия о сильном

ислабом взаимодействии.

Получение новых научных знаний осуществляется различными

методами.

Метод – это способ теоретического или экспериментального исследования какого-либо явления или процесса. Метод является инструментом решения главной задачи науки – открытия объективных законов действительности. Он определяет необходимость и место применения анализа и синтеза, индукции

идедукции, сравнения теоретических и экспериментальных исследований. Методология – это учение о структуре логической организации, методах

исредствах деятельности учение о принципах построения, формах и способах научно-исследовательской деятельности). Методология науки дает характеристику объекта исследования, предмета анализа, задачи исследования или проблемы), средств, необходимых для решения задачи данного типа, а также формирует представление о последовательности

движения исследования в процессе решения задачи. Наиболее важным в методологии является постановка проблемы, выявление предмета исследования, построение научной теории, а также проверка полученного результата с точки зрения его истинности. Основными общенаучными методами являются: анализ и синтез, индукция и дедукция, аналогия и моделирование, абстрагирование и конкретизация .

Анализ от греч. аnаlysis – разложение) – это метод исследования, заключающийся в том, что предмет изучения мысленно или практически расчленяется на составные элементы части объекта, или его признаки, свойства, отношения), при этом каждая из частей исследуется отдельно.

Так при анализе свойств мехатронного узла свойства электродвигателя могут изучаться и оптимизироваться при его мысленном выделении из общей структуры.

Синтез (от греч. synthеsis – соединение) – это метод исследования, который позволяет соединять элементы части) объекта, расчлененного в процессе анализа, устанавливать связи между элементами и познавать объекты исследования как единое целое. Например, переход от свойств отдельного мехатронного узла к моделированию поведения всей мехатронной машины.

При изучении любого конкретного объекта исследования анализ и синтез используются одновременно, поскольку они взаимосвязаны. Так и свойства мехатронного узла были получены в результате синтеза свойств его элементов , например, электродвигателя, редуктора, динамометра, датчика перемещения и т.д.

Наиболее общая черта современной науки – это стремление к теоретическому синтезу. Так как объединение множества элементов в единую конструкцию часто имеет синергетический эффект, связанный с появлением новых свойств или значительным усилением известных. Так появление автоматически управляемых, адаптирующихся механических систем позволяет значительно повысить их эффективность. Так появилась возможность создания летательных аппаратов с новыми принципами аэродинамической устойчивости, судов на подводных крыльях и т.д.

Вопросы для самопроверки:

1.Каковы основные функции и задачи науки?

2.Что является предметом познания естественных наук?

3.Каковы главные методы эмпирических наук?

4.Каковы цели фундаментальных наук?

5.Приведите пример прикладных исследований, осуществляемых в Вашей организации.

6.Чем отличается знание от познания?

7.Чем отличается идея от гипотезы?