ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОМНИКОЛЕСНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

Полезная модель относится к лабораторным комплексам для исследования омниколесных мобильных роботов и может применяться для изучения современных алгоритмов управления такими устройствами.
Из уровня техники известна конструкция трехколесного робота с камерой (RU 97329 U1, МПК B62D 57/02, опубл. 10.09.2010), состоящего из корпуса, колес, приводимых во вращение реверсивными приводами постоянного тока, закрепленными на корпусе, пассивного колеса, закрепленного на корпусе, блока управления, камеры и двух источников лазера, закрепленных на поворотном устройстве, представляющем собой мотор-редуктор, к валу которого присоединена панель, предназначенная для крепления на ней камеры и двух лазеров. При этом на платформе закреплено поворотное устройство, способное перемещаться в вертикальном направлении по направляющим, к платформе привязан конец троса, перекинутого через закрепленный на корпусе блок, расположенный на некоторой высоте над корпусом, и намотанного на барабан, закрепленный на валу мотор-редуктора, закрепленного на корпусе.
Недостатком робота является его низкая надежность, вследствие применения в конструкции узла наблюдения за пространством перед роботом большого числа подвижных частей. Кроме того, применение двух ведущих неповоротных колес значительно снижает возможности робота по быстрому маневрированию.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, признан мобильный робот (RU 2274543 C1, МПК B25J 5/00, B25J 9/00, опубл. 20.04.2006), содержащий размещенные в корпусе устройства для перемещения робота, блок обнаружения препятствия, блок определения текущего местоположения робота и блок наблюдения за пространством перед роботом, соединенные с блоком управления. Мобильный робот содержит также источник питания, подключенный к упомянутым блокам, при этом блок наблюдения подключен, по меньшей мере, к одной видеокамере наблюдения, установленной на корпусе робота.
Недостатком робота является его низкая мобильность, обусловленная отсутствием возможности оперативно изменять количество и конфигурацию движителей, что также ограничивает возможность его использования в обучении для исследования алгоритмов управления мобильными транспортными средствами.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является расширение функциональных возможностей лабораторного комплекса и обеспечение эффективности его применения при проведении лабораторных работ и практических занятий по робототехнике для изучения современных алгоритмов управления мобильными робототехническими системами.
Указанная задача решена тем, что комплекс содержит платформу, выполненную из двух полукруглых секций, соединенных между собой, на торце платформы установлен блок управления, а по краям секций в отверстиях, посредством болтовых соединений, закреплены движители, при этом платформа закрыта крышкой, на которой размещен блок определения текущего местоположения платформы. Отличает комплекс от известных аналогов то, что движители представляют собой мотор-колеса, состоящие из лапы, совмещенной с полым корпусом в виде полусферы с радиальными пазами и центральным отверстием, при этом внутри корпуса на Г-образном кронштейне, содержащем бобышку с внешней резьбой и шип-фиксатор, установлено роликовое колесо с двигателем постоянного тока и энкодером; бобышка Г-образного кронштейна совмещена с центральным отверстием корпуса и зафиксирована гайкой, а шип-фиксатор совмещен с одним из радиальных пазов; на внешней поверхности корпуса закреплены ультразвуковые и инфракрасные датчики расстояния, их выходы, а также выход блока определения текущего местоположения платформы, подключены к измерительным входам блока управления, а его управляющие выходы подключены к энкодерам движителей.
Платформа комплекса может быть снабжена тремя или четырьмя движителями. При этом в первом случае движители закреплены по краям секций под углом 120° относительно друг друга, а во втором - под углом 90°.
Блок управления целесообразно выполнить на основе тридцатидвухразрядного микроконтроллера, в качестве которого предпочтительно использовать высокопроизводительную микросхему семейства STM32 на основе микропроцессорного ядра Cortex 3, а в качестве блока определения текущего местоположения платформы может быть применен однолучевой лазерный сканер с углом обзора 360°.
Блок управления может быть связан с блоком определения текущего местоположения платформы, датчиками и движителями с помощью информационные каналов связи, выполненных, например, в виде двухпроводных шин, связывающих универсальные порты ввода-вывода блока управления с выходами и входами упомянутых устройств. Блок управления робота также может быть снабжен модулем беспроводной связи для получения команд от внешней станции управления им. Упомянутый модуль может быть реализован, например, в виде Wi-Fi адаптера.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью конструктивных признаков, является значительное расширение функциональности устройства, за счет обеспечения возможности изменения количества движителей устройства и их места расположения на корпусе, что делает предложенное техническое решение эффективным в обучении при изучении алгоритмов управления робототехническими системами и методов разработки управляющих программ для них.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан внешний вид устройства в аксонометрической проекции сверху с четырьмя движителями; на фиг. 2 - внешний вид устройства в аксонометрической проекции снизу с четырьмя движителями; на фиг. 3 - вид сверху с исполнением устройства трехколесным; на фиг. 4 - внешний вид мотор колеса сверху; на фиг. 5 - внешний вид Г-образного кронштейна; на фиг. 6 - упрощенная структурная схема блока управления.
Лабораторный комплекс для исследования омниколесных мобильных роботов устроен следующим образом.
Основой устройства является платформа 1, выполненная из двух полукруглых секций 2, соединенных между собой, на торце платформы установлен блок управления 3, а по краям секций в отверстиях 4, посредством болтовых соединений, закреплены движители 5, при этом платформа закрыта крышкой 6, на которой размещен блок определения текущего местоположения платформы 7. Движители 5 представляют собой мотор-колеса, состоящие из лапы 8, совмещенной с полым корпусом в виде полусферы 9 с радиальными пазами 10 и центральным отверстием 11, при этом внутри корпуса на Г-образном кронштейне 12, содержащем бобышку с внешней резьбой 13 и шип-фиксатор 14, установлено роликовое колесо 15 с двигателем постоянного тока и энкодером.
Радиальные пазы 10 выполнены в виде трех групп по три паза в каждой. Пазы, входящие в первую группу, расположены друг относительно друга под углом 90°, а входящие во вторую и третью - под углом 15°. Указанная особенность позволяет ориентировать оси роликовых колес движителей относительно центра платформы под различными углами, что позволяет на практике реализовать различные алгоритмы управления ими.
На внешней поверхности корпусов 9 движителей 5 закреплены ультразвуковые 16 и инфракрасные 17 датчики расстояния, их выходы, а также выход блока определения текущего местоположения платформы 7 подключены к измерительным входам 18, 19 и 20 блока управления 3, а его управляющие выходы 21, 22, 23 и 24 подключены к движителям.
В качестве роликовых колес в предлагаемой конструкции лабораторного комплекса могут использоваться известные из уровня техники колеса, впервые предложенные Бенгтоном Илоном (US 3876255, МПК В60В 19/00, опубл. 08.04.1975). Колесо Илона содержит обод с установленными на нем роликами, смонтированными на протяжении всей поверхности колеса, при этом угол вращения упомянутых роликов составляет 45° между ними и осью колеса. Благодаря такой конструкции, транспортное средство, оснащенное колесами Илона, может передвигаться в любом направлении.
Лабораторный комплекс используют следующим образом.
Первоначально, в зависимости от выбранной трех- или четырехколесной конфигурации комплекса, на платформе 1 закрепляют движители 5, соединяя лапы мотор-колес 8 с секциями 2 платформы посредством болтовых соединений. Далее для каждого движителя выполняют следующую операцию: ослабляют гайку (на фигурах условно не показана), фиксирующую бобышку 13, поворачивают Г-образный кронштейн 12 с роликовым колесом 15 на некоторый угол таким образом, чтобы шип-фиксатор 14 совпал с нужным радиальным пазом, а затем затягивают гайку, фиксируя тем самым положение роликового колеса.
Далее подключают энкодеры движителей 5, блок определения текущего местоположения платформы 7, а также ультразвуковые 16 и инфракрасные 17 датчики к блоку управления 3. Затем с помощью программатора записывают управляющую программу в микроконтроллер блока управления 3, например, с помощью JTAG-программатора, затем платформу 1 закрывают крышкой 6. После чего устройство может работать в двух режимах. Первый из них подразумевает полностью автономное движение по траектории, задаваемой управляющей программой, загруженной в энергонезависимую память микроконтроллера. Второй подразумевает прием и выполнение управляющих команд, корректирующих его движение с помощью модуля беспроводной связи 25.
Таким образом, описанный в настоящей заявке комплекс является недорогим конфигурируемым устройством, которое можно эффективно применять при проведении практических занятий, изучая как алгоритмы управления робототехническими системами, так и методы их реализации на языке ассемблера микроконтроллеров семейства STM32 или на языке С.