МОБИЛЬНЫЙ КОММУНИКАЦИОННЫЙ РОБОТ

Заявляемое техническое решение мобильного коммуникационного робота относится к робототехнике, а именно к манипуляторам с программным управлением, предназначено для автоматизации решения определенных повседневных задач без участия человека в системе умного дома и может найти широкое применение как в быту, так и в офисной деятельности, осуществляя голосовое взаимодействие с человеком, перемещение в пространстве, мониторинг и контроль за окружающей средой и за работой устройств внутри помещения, будучи управляемым посредством голосовых команд.
Робот является автоматическим устройством, предназначенным для осуществления различного рода операций, действующим по заранее заложенной программе. Робот может как иметь связь с оператором, получая от него команды в ручном управлении, так и действовать автономно, в соответствии с заложенной программой в автоматическом управлении. Хотя внешний вид роботов может быть самым разным по форме, однако в некоторых случаях предпочтительно придавать роботу элементы анатомии различных живых существ, особенно распространены роботы-андроиды в виде фигуры человека, выполненные с той или иной степенью достоверности.
Портативность, оригинальность конструкции, современные возможности управления, зачастую привлекательный внешний вид - позволили роботам завоевать широкую популярность, что привело к появлению ряда производителей, создающих как бытовых роботов, так и применяемых на производстве.
Заявляемое техническое решение характеризуется следующими особенностями: возможностью осуществлять голосовую коммуникацию с человеком и выполнять его голосовые команды; возможностью перемещаться на местности с построением, запоминанием, исправлением карты местности и возможностью избегания препятствий, а также с построением маршрутов движения по голосовым командам человека; осуществлением мониторинга окружающей среды, аудио- и видеосьемки, измерения показателей (температура, влажность, давление, освещенность, задымленность, загазованность) с помощью встроенных датчиков; информированием человека о состоянии окружающей среды и ее контролем; управлением элементами умного дома на основе заранее созданных сценариев.
Известен аналог, мобильный робот по патенту РФ на полезную модель №178222 от 15.03.2017г., опубликованному 28.03.2018г., который выполнен с возможностью перемещения по горизонтальной поверхности в заданном участке цеха в отсутствие динамически перемещающихся объектов, содержащий платформу, электродвигатели, источник питания и бортовой компьютер для управления перемещением мобильного робота, в память которого заложена геометрическая карта-план участков цеха, содержащая номера, длину и ширину участков, доступных для робота, геометрические параметры основного оборудования и мест загрузки и выгрузки материальных потоков и координаты проходов между участками цеха, причем робот содержит ультразвуковой локатор расстояния, состоящий из ультразвукового датчика для слежения за пространством впереди и сервопривода, четыре световых инфракрасных датчика для предотвращения выхода робота за пределы участка цеха и цифровой гироскоп для точного определения положения в системе координат пространства цеха.
Общими признаками аналога мобильного робота по патенту РФ на полезную модель №178222 являются наличие платформы, на которую устанавливается два задних приводных колеса, управляемых электромоторами, и переднее колесо, свободно вращающееся вокруг своей оси, бортового компьютера, блока памяти, определителя расстояния, датчиков слежения за пространством, гироскопа.
Отличия данного аналога по патенту РФ №178222 и заявляемого технического решения обусловлены особенностями конструкции, в том числе заявляемое решение включает несколько микроконтроллеров, инерциальный измерительный модуль содержащий гироскоп, акселерометр, магнитометр, датчики температуры, давления, влажности, детекторы газа, дыма, в также ультразвуковые и лазерные датчики расстояния, лидар, датчик движения. Электропитание заявляемого робота осуществляется от литий-ионной аккумуляторной батареи с возможностью зарядки, присутствует видеокамера, подключение к сети Интернет, голосовое управление.
Однако мобильный робот-аналог ориентирован на работу в цехе промышленного предприятия, с чем связаны недостатки данного аналога мобильного робота по патенту РФ на полезную модель №178222, а именно отсутствие возможности его работы в свободном, заранее не подготовленном и не размеченном пространстве, у робота-аналога нет взаимодействия с человеком, не предусмотрена самостоятельная зарядка аккумуляторной батареи и низкая способность локализации в пространстве.
Известен аналог, многопроцессорный мобильный интернет-робот андроид по патенту РФ на полезную модель №183006 от 13.12.2017г., опубликованному 07.10.2018г., который содержит резьбовую штангу, выполняющую роль «позвоночника», на который нанизаны и закреплены гайками модули-платформы робота, на модули-платформы установлены электронные модули сенсорных, управляющих и исполнительных устройств и механизмов робота, модули-платформы автономны, имеют, по крайней мере, один микропроцессор, модуль связи и источник электропитания, модули-платформы организованы в подсеть Интернет и обмениваются информацией между собой и сетью Интернет по радио или световым каналам пакетной передачи данных, модули-платформы закрыты нанизанными на резьбовую штангу колпаками-корпусами и фиксированы гайками.
Общими признаками аналога мобильного робота по патенту РФ на полезную модель №183006 являются: наличие модульного принципа построения из электронных блоков, нескольких микроконтроллеров, а также закрытый корпус робота-аналога, наличие связи между различными электронными модулями и возможность обмена данными, организация модулей в подсеть Интернет.
Отличия данного аналога и заявляемого технического решения обусловлены особенностями конструкции, в том числе тем, что заявляемое решение не содержит резьбовую штангу, на которую нанизаны модули платформы, при этом заявляемое решение содержит единственный источник питания аккумуляторную батарею, а не индивидуально на каждый модуль, а обмен между электронными блоками происходит посредством проводной связи.
Недостатками данного мобильного робота по патенту РФ на полезную модель №183006 являются то, что основное назначение данного мобильного робота - это обучение конструированию, моделированию и программированию. Данный аналог удобен для постоянной смены различных электронных модулей при обучении и конструировании, но не пригоден как решение для постоянной работы робота.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является сборный мобильный робот (прототип) по патенту РФ на полезную модель №174140 от 24.06.2016г., опубликованному 04.10.2017г., который содержит платформу, два колеса, два колесных вала со смонтированными на них колесами, установленные на платформе две колесные вилки, два электродвигателя, выходные валы которых кинематически связаны с лежащими на одной прямой валами первого и второго колес, источник питания, бортовую вычислительную сеть, выполненную с возможностью сбора и обработки данных с одометрических датчиков первого и второго колес и формирования, и передачи управляющих сигналов на электродвигатели первого и второго колес, причем в сборный мобильный робот-прототип дополнительно введены сборный реконфигурируемый корпус, содержащий формообразующие части и соединительные элементы с технологическими отверстиями, при этом выступы соединительных элементов, вставленные в симметрично расположенные по периметру платформы и формообразующих частей пазы, закреплены соединительными механизмами, третье и четвертое шар-колесо, расположенные по разные стороны от оси первого и второго колеса и прикрепленные к платформе, установленный на корпусе блок исполнительных механизмов, бортовая вычислительная сеть включает блок перепрограммируемого управления, блок датчиков расстояния, блок датчиков оптического потока, блок датчиков позиционирования и навигации, коммуникационный блок. Его платформа имеет одинаковую форму с формообразующими частями, технологические отверстия являются предусмотренными отверстиями для крепления соединительными механизмами блока перепрограммируемого управления, блока датчиков расстояния, блока датчиков оптического потока, блока датчиков позиционирования и навигации, коммуникационного блока и блока исполнительных механизмов, реконфигурируемый корпус, содержащий две формообразующие части, выполнен двухъярусным, а блок исполнительных механизмов выполнен в виде манипулятора, захватного устройства или педипуляторов.
Общими признаками мобильного робота по патенту РФ на полезную модель №174140 с заявляемым техническим решением являются: наличие двух колес и двух электромоторов, источника питания, бортовой сети с датчиками, причем корпус является сборным. Присутствуют общие блоки управления, блок датчиков расстояний, блок датчиков позиционирования и навигации, коммуникационный блок.
Отличия прототипа от заявляемого технического решения обусловлены особенностями конструкции, в том числе заявляемое решение не содержит блоков оптического потока, блока исполнительных механизмов в виде манипулятора или педипулятора, нет реконфигурируемого сборного корпуса, при котором платформа имеет одинаковые формы с формообразующими частями.
Недостатками данного мобильного робота по патенту РФ на полезную модель №174140 является то, что в роботе отсутствует возможность голосового или ручного управления, отсутствует связь с сетью интернет, отсутствует система зарядки и тем самым значительно снижена его автономность, функциональность и управляемость. К сожалению, в описании прототипа отсутствует конкретизация в описании функциональных характеристик блоков управления, блоков датчиков расстояний, блоков навигации и коммуникационного блока и поэтому невозможно дать оценку возможностям и техническим характеристикам данного робота.
Данные недостатки преодолены в заявляемом техническом решении тем, что заявляемое техническое решение дополнительно содержит возможность голосового управления и коммуникации с человеком, видеокамеру с сервоприводом, лидар, блок связи с сетью интернет и внешними устройствами управления, блок микрофонов, возможность звукового воспроизведения, блок мониторинга окружающей среды.
При исследовании уровня развития техники не выявлены решения, тождественные заявляемому решению. В заявляемом решении применены особенности конструкции, с целью расширения арсенала технических средств содержащей: моторы для движения; компьютер, несколько микроконтроллеров; блок памяти; датчики температуры, давления, влажности, детектор газа, дыма, ультразвуковые датчики расстояния, лазерные датчики расстояния, инерциальные измерительные модули; датчик движения, присутствия биологического объекта (человека или животного); лидар; беспроводные интерфейсы Wi-Fi, Блютуз, 3G, 4G, 5G; видеокамеру и привод для поворота на 90 градусов; 3D видеокамеру с измерением глубины изображения, микрофоны; динамики; аккумуляторную батарею с возможностью самостоятельной зарядки через контакты в нижних упорах; устройство с виртуальным ассистентом (типа Алиса, Маруся, Алекса).
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение арсенала технических средств при создании мобильных роботов, а также отмеченное в уровне техники недостаточное удобство эксплуатации роботов известных конструкций. Заявляемая полезная модель разработана для того, чтобы решить вышеуказанную проблему и повысить эффективность работы робота, увеличить удобство и бесперебойность работы. Удобство размещения всех элементов мобильного коммуникационного робота в единой комплектации обеспечивает удобство его эксплуатации.
Цель разработки заявляемого технического решения - расширение функциональных возможностей применения робота, в частности, удобства коммуникации с человеком и возможности применения в условиях подключения «умного дома».
Техническая задача настоящей полезной модели заключается в создании умного мобильного коммуникационного робота такой конструкции, которая бы расширяла сферу его использования, была более удобна в эксплуатации, экономична с точки зрения потерь энергии, а также удобна в использовании.
Техническим результатом заявленной полезной модели является, прежде всего, реализация совокупности технических элементов конструкции, позволяющих расширить арсенал технических средств, что ведет к повышению эффективности работы мобильного коммуникационного робота.
Технический результат достигается тем, что заявляемый мобильный коммуникационный робот содержит виртуальный ассистент с голосовым управлением и коммуникации с человеком, видеокамеру с сервоприводом, лидар, блок связи с сетью интернет и внешними устройствами управления, блок микрофонов, возможность звукового воспроизведения, блок мониторинга окружающей среды. Тем самым эффективно повышается стабильность работы оборудования по сравнению с работой известных подобных роботов.
Сущность полезной модели выражается в совокупности существенных признаков, достаточной для реализации его назначения.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что мобильный коммуникационный робот включает закрытый сборный корпус с платформой и установленными внутри сборного корпуса на платформе двумя задними приводными колесами, управляемыми электромоторами, и передним колесом, свободно вращающимся вокруг своей оси, бортовым компьютером, бортовой сетью с датчиками и блоком питания, блоком памяти, блоком датчиков расстояний, блоком датчиков позиционирования и навигации, коммуникационным блоком, датчиками слежения за пространством и гироскопом, причем сборный корпус накрыт сверху куполообразной крышкой, в которой выполнены прорези для свободного распространения звука и для обеспечения съемки, а по бокам к сборному корпусу закреплены ручки для его подъема и переноски, при этом платформа служит базовым элементом для закрепления в общую сборочную конструкцию всех компонентов робота, два задних приводных колеса, управляемых электромоторами с драйвером управления, выполнены ведущими, а переднее колесо выполнено ведомым, самоустанавливающимся с возможностью вращения на 360°, при этом электродвигатели постоянного тока и ведомое колесо закреплены под платформой, на которой размещены и закреплены ярусами посредством пластин крепления блок измерений и исполнения, включающий микроконтроллер управления, датчик времени, упомянутый гироскоп, магнитометр, акселерометр, датчики температур, давления, влажности, датчик движения и коммуникационный блок, включающий микроконтроллер управления, модули беспроводной связи, модуль проводной связи, модуль связи сотовой сети и модуль измерения и контроля питания, блок питания, содержащий аккумуляторную батарею, модуль понижения-повышения и модуль стабилизации и фильтрации входного питания и выполненный с узлом зарядки аккумуляторной батареи от внешнего зарядного устройства, упомянутый бортовой компьютер, предназначенный для построения автономной навигационной системы и управления всеми блоками робота через бортовую вычислительную сеть, вентилятор охлаждения, предназначенный для охлаждения драйверов моторов и бортового компьютера, динамик, микрофоны, ультразвуковой датчик расстояния, лазерный датчик расстояния, оптический сканер кругового обзора пространства - лидар, видеокамера с мотором и блок с виртуальным ассистентом, при этом все компоненты соединены между собой отдельными проводами.
Сущность мобильного коммуникационного робота поясняется чертежами фиг.1-4 и схемой фиг.5.
На фиг.1 изображен внешний вид мобильного коммуникационного робота слева-снизу.
На фиг. 2. изображен внешний вид мобильного коммуникационного робота справа-сверху.
На фиг. 3. изображен вид мобильного коммуникационного робота без сборного корпуса слева.
На фиг. 4. изображен вид мобильного коммуникационного робота без сборного корпуса справа.
На фиг. 5. изображена функциональная схема локальной вычислительной сети мобильного робота с подключенными к ней элементами, где применены следующие обозначения:
Канал связи с глобальной сетью Интернет
Шина питания
Информационная шина
Заявляемое техническое решение проиллюстрировано с помощью фиг.1-5, где:
1 - платформа;
2 - кнопка включения/выключения робота;
3 - ручки;
4 - ультразвуковой датчик расстояния;
5 - виртуальный ассистент;
6 - лазерный датчик расстояния;
7 - ведомое колесо;
8 - левое ведущее колесо;
9 - правое ведущее колесо;
10 - электромотор правого ведущего колеса;
11 - электромотор левого ведущего колеса;
12 - коммуникационный блок;
13 - бортовой компьютер управления;
14 - драйвер управления моторами;
15 - вентилятор охлаждения;
16 - микрофон;
17 - динамик;
18 - оптический сканер кругового обзора пространства лидар;
19 - видеокамера;
20 - мотор видеокамеры;
21 - источник питания аккумуляторная батарея;
22 - блок питания;
23 - блок измерений и исполнения;
24 - разъем для зарядки аккумуляторной батареи;
25 - стойки крепления пластин между собой;
26 - пластины крепления;
27 - цилиндрический сборный корпус;
28 - куполообразная крышка.
Мобильный коммуникационный робот содержит платформу 1, которая служит базовым элементом для закрепления в общую сборочную конструкцию всех его компонентов. Платформа 1 установлена на трех колесах 7, 8, 9 для перемещения по опорной поверхности, два из которых 8 и 9 выполнены ведущими и оснащены каждый отдельным электромотором, соответственно 11 и 10, при этом одно колесо 7 выполнено ведомым, самоустанавливающимся с возможностью вращения на 360°. Электродвигатели постоянного тока и ведомое колесо закреплены под платформой. На платформе размещены и закреплены в несколько ярусов на пластинах крепления 26 следующие элементы. Блок измерений и исполнения 23, представляет собой прямоугольную плату с расположенными на ней необходимыми для работы блока электронными компонентами и разъемами. Этот блок включает в свой состав микроконтроллер управления, датчик времени, гироскоп, магнитометр, акселерометр, датчики температур, давления, влажности, а также датчик движения. Коммуникационный блок 12 представляет собой прямоугольную плату с расположенными на ней необходимыми для работы блока электронными компонентами и разъемами. Этот блок включает в свой состав микроконтроллер управления, модули беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth), модуль проводной связи локальной вычислительной сети (LAN), модуль связи сотовой сети по стандартам 3G, 4G, 5G, а также модуль измерения и контроля питания.
Блок питания 22 с аккумуляторной батареей 21, предназначен для обеспечения автономного питания, как электродвигателей, так и всех компонентов робота и содержит модуль понижения-повышения и модуль стабилизации и фильтрации входного питания. Данный блок 22 выполнен с узлом зарядки аккумуляторной батареи от внешнего зарядного устройства через разъем 24 для зарядки аккумуляторной батареи 21 или бесконтактным способом через систему беспроводной зарядки аккумуляторных батарей.
Бортовой компьютер управления 13 предназначен для построения автономной навигационной системы и для управления всеми блоками робота через бортовую вычислительную сеть.
Драйвер управления моторами 14 служит для управления вращением колес 8 и 9 и поворотом видеокамеры19.
Вентилятор охлаждения 15 предназначен для охлаждения драйверов моторов 14 и основного бортового компьютера управления 13.
Динамик 17 предназначен для воспроизведения звуковых сигналов, а несколько микрофонов 16 предназначены для определения направления источника звука.
Ультразвуковой датчик расстояния 4 предназначен для определения препятствий, а лазерный датчик расстояния 6 - для определения уровня опорной поверхности, при этом оптический сканер кругового обзора пространства - лидар 18 предназначен для кругового сканирования пространства для построения навигационной карты.
Видеокамера 19 для фото и видеосъёмки с мотором 20 для поворота, чтобы видеокамера могла охватить большой угол по вертикали.
Блок, содержащий виртуального ассистента 5, для общения с человеком и передачи голосовых команд роботу.
Все компоненты соединены между собой отдельными проводами или шлейфами, на рисунках не показаны.
Сверху вся конструкция накрывается куполообразной крышкой 28, в которой сделаны прорези для свободного распространения звука от виртуального ассистента 5 и для обеспечения сьемки поворотной видеокамерой 19.
По бокам к сборному корпусу крепятся ручки 3 для подъема и переноски робота.
Мобильный коммуникационный робот работает следующим образом:
После включения робота через кнопку включения/выключения питания 2, напряжение от источника питания аккумуляторной батареи 21 через блок питания 22 подается на блок виртуального ассистента 5, на блок основного компьютера 13, на блок управления и связи 12, на блок измерений и исполнения 23, лидар 18, блок питания 22.
Дальше от соответствующих блоков напряжение подается на ультразвуковой датчик 4, лазерный датчик расстояния 6, микрофон 16, видеокамера 19, мотор для вращения видеокамеры 20.
Одновременно запускается вентилятор 15 для охлаждения основного компьютера 13 и драйверов моторов 14.
После загрузки основной компьютер 15 устанавливают связь между собой и блоками измерений и исполнения 23, блоком управления и связи 12 по шине, и в дальнейшем происходит постоянный обмен данными между ними по коммуникационной шине.
Также после подачи напряжения происходит установления связи с сетью интернет через подключение к доступной сети Wi-Fi основного компьютера 13 и блока виртуального ассистента 5. После подключения к сети робот находится в постоянном ожидании управляющих команд от пользователя переданных через виртуального ассистента 5.
После запуска блок измерений и исполнения 23 начинает считывать показатели с датчиков температуры, влажности, давления, состояния окружающей среды, данные с акселерометра, гироскопа, магнитометра, а также с ультразвукового 4 и лазерного датчиков 6 и передавать эти данные в основной компьютер 13.
Считанные и обработанные показания с датчиков периодически передаются основным компьютером 13 на облачный сервер через сеть интернет, где в дальнейшем доступны в любой момент для пользователя через приложение либо через личный кабинет на веб сайте.
Основной компьютер 13 постоянно производит получение и обработку данных с лидара 18 и блока измерений и исполнения 23 для определения расстояние до окружающих объектов и оценивает окружающее пространство.  По результатам обработки данных составляется виртуальная карта помещения. Эти данные позволяют мобильному роботу целенаправленно двигаться по заданному маршруту.
Основным компьютером 13 определяется скорость вращения каждого из ведущих колес 8 и 9, необходимая для отработки определенного маршрута. Для этого в зависимости от целей управляющего алгоритма на моторы 10, 11 подается через драйвер для моторов 14 напряжение, обеспечивающее величину скорости вращения каждого из ведущих колес 8 и 9, необходимой для отработки определенного маршрута.
Во время движения робот анализируют данные, получаемые с лидара 18, ультразвукового 4 и лазерных датчиков 6 и с помощью алгоритмов оценивает ситуацию. Робот может произвольно перемещаться по помещению, выполняя команды пользователя, избегая препятствий и ориентироваться по построенной им же карте, определяя свое положение на ней. При нахождении препятствия, мешающего роботу продолжить движение, робот меняет маршрут для избегания препятствия.
Благодаря микрофонам 16 робот осуществляет звуковую оценку окружающей среды и может определять направление источника речи пользователя, в этом случае он осуществляет самостоятельный поворот в сторону направления источника звука.
При необходимости через динамик 17 основной компьютер может воспроизводить музыкальные или речевые сообщения и сигналы.
Для управления роботом пользователь может давать ему голосовые команды через виртуального ассистента 5.
Видеокамера 19 направлена по направлению движения мобильного робота. С помощью мотора для вращения камеры 20 основной компьютер 13 через блок измерений и исполнения 23 и может изменять угол наклона видеокамеры 19.
Робот производит по желанию пользователя видеосъемку и передает этот видеопоток на сервер через подключение основного компьютера к сети интернет через доступный Wi-Fi, откуда пользователь может его просматривать со своего смартфона или компьютера, подключенного к сети Интернет.
Зарядка робота осуществляется с помощью внешнего зарядного устройства, которое вручную подключается к разъёму 24. Зарядка происходит от бытовой сети 220 вольт. Переноска робота к месту зарядки или для перемещения происходит за ручки 3.
По сравнению с известными конструкциями роботов, заявляемая конструкция обладает универсальностью. Область применения заявляемой конструкции значительно шире, чем у известных аналогов.
Возможность многократного воспроизведения заявляемой конструкции мобильного коммуникационного робота проистекает из способа ее промышленной комплектации, что позволяет воспроизводить заявляемого мобильного коммуникационного робота в промышленных масштабах.
Подобное сочетание универсальности, достижения возможности многократного воспроизведения с относительной простотой изготовления в прототипе не достигнуто.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критериям «новизна» и «промышленная применимость»