Мобильный малогабаритный робот

Предлагаемая полезная модель относится к робототехнике, в частности к наземным малогабаритным мобильным роботам, предназначенным для проведения дистанционного мониторинга обстановки в труднодоступных местах путем дистанционной передачи видео- и аудиоинформации.
Известны ударопрочные малогабаритные забрасываемые роботы, разработанные, например, в США, Германии, Израиле. Среди них роботы, созданные корпорацией Recon Robotics Inc. (США): двухколесный робот с улучшенными возможностями по преодолению подъемов (Two wheeled robot with enhanced climbing features), защищенный патентом US20100152922 A1, двухколесный робот Throwbot XT защищенный патентом WO 2013059519 A1, и двухколесные роботы Throwbot LE, Scout XT, Scout IR; двухколесные роботы Spike и HMTM - high-mobility tactical micro-robot (лаборатория Draper, США); двухколесный робот iSnoop, со сменными колесами двух типов, один из которых предназначен для перемещения горизонтальным поверхностям, а другой - по лестницам (Optimess, Германия); забрасываемый с помощью пращи четырехколесный робот Iris (Robo-team, Израиль). Известны также забрасываемые роботы, разработанные в КНР и защищенные патентами CN 202138435 U и CN 104228998 А. Ударопрочность этих роботов обеспечивается материалом и достаточно сложной конструкцией колес и их приводов, принимающих на себя энергию удара при падении. Такие роботы управляются вручную, имеют ограничения по дальности радиосвязи, а так же по размещению на них полезной нагрузки и по маневренности.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является малогабаритный мобильный робот повышенной прочности (Riggedized robotic vehicles), описанный в патенте US 7559385 В1 (МПК B60K 1/00, B62D 61/00, 14.07.2009), сконструированный так, чтобы обеспечивалась высокая конструктивная прочность робота и сохранность бортового оборудования при доставке робота в рабочую зону путем заброса без применения специальных средств, т.е. мускульной силой человека, на удаленный участок.
Авторами патента US 7559385 предлагается мобильный робот, содержащий удлиненный корпус, два колеса, выполненные из эластичного материала для обеспечения возможности амортизации ударных нагрузок за счет деформирования, установленные на концах корпуса, два размещенных в корпусе электромеханических привода вращения колес, гибкий упругий упор-балансир (хвост), установленный на корпусе перпендикулярно его продольной оси с задней стороны корпуса, видеокамеру, размещенную в корпусе с его передней стороны для видеонаблюдения окружающей обстановки и, в частности, для обзора ближней зоны непосредственно перед роботом для обеспечения управления движением роботом, бортовые аппаратные средства связи и управления, размещенные внутри корпуса, а также две антенны, установленные на верхней стороне корпуса, для приема радиокоманд дистанционного управления вращением каждого колеса и, тем самым, направлением и скоростью движения робота и передачи видеоинформации на монитор пульта дистанционного управления роботом.
Робот доставляется в удаленную рабочую зону путем забрасывания. При приземлении возникают ударные импульсные нагрузки в области контакта робота с грунтом, наиболее вероятным случаем которого является контакт одним из колес, а также инерционные нагрузки на внутренние элементы, установленные в жестком корпусе, вызванные резким торможением в процессе удара. Для обеспечения прочности и сохранения работоспособности бортового оборудования за счет амортизация удара внешние части колеса изготовлены из эластичного резиноподобного материала, установлены предохранительные муфты вращения в каждом приводе колеса, а хвост выполнен из гибкого упругого материала, в качестве которого может выступать металлический трос или металлическая пластина соответствующей длины, диаметра или толщины.
Управление движением робота осуществляется оператором в ручном телеоператорном режиме путем непрерывного манипулирования джойстиком, установленным на пульте дистанционного управления, с помощью которого формируются управляющие воздействия, задающие направление и скорость вращения каждого колеса, при этом оператор должен контролировать всю попавшую в зону видимости камеры окружающую обстановку, особенно в ближней зоне непосредственно перед роботом, по изображению, сформированному на дисплее пульта на основе переданной видеоинформации с телекамеры робота, оценивать обстановку и принимать управленческие решения в режиме реального времени. При этом переключение оператора на выполнение любой другой задачи возможно только после остановки робота.
К недостаткам прототипа можно отнести:
Ограниченность обзора обстановки и возможность появления «мертвых», непросматриваемых зон за препятствиями, размеры которых сравнимы с размером робота. Это связано с тем, что камера размещена близко к опорной поверхности.
Антенны робота имеют малую высоту, что приводит к относительно малой дальности устойчивой радиосвязи управления и передачи видеоинформации.
В случае приземления робота на грунт в положении антеннами вниз становится практически невозможной радиосвязь, что приводит к потере управления данным роботом и для выполнения задачи видеонаблюдения потребуется доставка в исследуемую зону, как минимум, второго робота.
Внешняя контактная поверхность колеса имеет гладкую форму поверхности вращения, поэтому робот способен преодолевать препятствия высотой не более половины радиуса колеса.
В тоже время, при такой форме контактной поверхности поглощение ударной энергии происходит только в малой области контактных деформаций и обусловлено только свойствами материала, что потребовало ввести в конструкции приводов колес предохранительные фрикционные муфты для снижения ударных нагрузок, обеспечивающие возможность проворота колес относительно корпуса в момент удара колеса о грунт, что существенно усложнило конструкцию робота, увеличило его общую массу, а значит и ударные инерционные нагрузки, снизило его надежность, усложнило сборку и настройку робота за счет выполнения операции настройки муфт на требуемый момент срабатывания.
Мобильность данного робота, особенно при движении в стесненных условиях, ограничена, поскольку он способен двигаться, опираясь хвостом на грунт, только вперед, а для выполнения разворота на месте ему требуется свободное пространство, как минимум, с радиусом ометания хвоста.
Еще одним существенным недостатком прототипа является возможность управления движением робота только в ручном телеоператорном режиме, что серьезно затрудняет выполнение поставленной задачи в условиях неустойчивой радиосвязи и вовсе не позволяет выполнить задачу в случае отсутствия радиосвязи.
Задачами, на решение которых направлена заявляемая полезная модель, являются улучшение эксплуатационных качеств, повышение мобильности и проходимости малогабаритного мобильного робота, а также повышение надежности функционирования робота, его экономичности и технологичности.
Задача улучшения эксплуатационных качеств малогабаритного мобильного робота решается за счет того, что в состав аппаратных средств связи и управления включены датчики углового поворота колес относительно корпуса и датчики углового положения корпуса в пространстве, информация от которых обрабатывается в бортовой системе управления с целью определения ориентации робота в пространстве, и совместно с информацией от видеокамер позволяет реализовать алгоритмы автономной навигации, что дает возможность осуществления движения по заданной траектории по пересеченной местности в автономном режиме без непосредственного участия оператора и возможность осуществления управления движением робота в супервизорном режиме; на свободном конце хвоста дополнительно установлена направленная вверх видеокамера со светодиодной или ИК подсветкой, а в теле хвоста дополнительно установлены две антенны, что позволяет существенно улучшить обзор и увеличить дальность радиосвязи.
Задача повышения мобильности решается за счет возможности осуществления роботом ряда дополнительных движений, таких как переворот робота в случае падения его антеннами вниз, обеспечения возможности двигаться вперед с опорой на хвост и с вертикально ориентированным хвостом, а также двигаться назад и разворачиваться на месте с вертикально ориентированным хвостом.
Задача повышения показателей проходимости малогабаритного мобильного робота решается за счет того, что колеса имеют каплевидную форму с равномерным звездообразным оребрением и грунтозацепами, выходные валы электромеханических приводов вращения колес установлены соосно на концах корпуса, вдоль его продольной оси, а колеса устанавливаются непосредственно на валы приводов.
Задача повышения надежности функционирования робота решается за счет возможности вернуться в штатное положение антеннами вверх после забрасывания или в результате неудачного падения или переворота робота в процессе выполнения задания.
Использование информации от введенных датчиков углового положения корпуса в пространстве в алгоритмах управления вращения колес позволяет минимизировать отклонения робота от маршрута при движении по местности со сложным рельефом, что позволяет сократить расход электроэнергии аккумуляторов, увеличить время автономной работы робота, а следовательно повысить экономичность его работы.
Упрощение конструкции робота и повышение его технологичности обеспечивается исключением сложных, требующих настройки предохранительных муфт за счет высоких амортизационных способностей материала колеса и его оребрения.
Таким образом, решением поставленных задач достигаются следующие технические результаты: обеспечивается преодоление пороговых препятствий с характерными размерами более половины радиуса колеса, увеличивается дальность радиосвязи, расширяется зона видеонаблюдения; повышается мобильность, надежность и время автономной работы робота, реализуется супервизорный режим управления.
Существенными признаками, отличающими заявляемую полезную модель в ее частных формах исполнения являются: установка дополнительных антенн в теле хвоста, установка выходных валов электромеханических приводов вращения колес на концах корпуса вдоль его продольной оси с установкой самих колес непосредственно на валы приводов, а также придание колесам каплевидной формы с равномерным звездообразным оребрением и грунтозацепами.
Сущность полезной модели поясняется следующими рисунками и чертежами.
На фиг. 1 показан малогабаритный мобильный робот, вид спереди.
На фиг. 2 показан малогабаритный мобильный робот, вид сзади.
На фиг. 3, 4 показано внутреннее устройство корпуса мобильного робота.
На фиг. 5 показано колесо мобильного робота.
На фиг. 6 показана схема сборки мобильного робота.
На фиг. 7 показана схема сборки хвоста мобильного робота.
На фиг. 8 показана схема установки датчика поворота колеса относительно корпуса мобильного робота.
На фиг. 9 показан малогабаритный мобильный робот в режиме движения с вертикально ориентированным хвостом.
Предложенный мобильный малогабаритный робот содержит удлиненный корпус 1, два колеса 2, гибкий упругий упор-балансир (хвост) 3, фронтальную видеокамеру 4 со светодиодами подсветки 5, две антенны 6, установленные на верхней стороне корпуса, ключ 7 «включение-выключение» робота и герметичный разъем 8 для подсоединения зарядного устройства или пульта дистанционного управления для диагностики или перепрограммирования робота. Хвост 3 крепится к корпусу 1 с помощью болтов 9 (фиг. 2). Внутри внешней алюминиевой жесткой цилиндрической оболочки 10 корпуса 1 (фиг. 3) размещен выполненный из твердой двухкомпонентной полиуретановой смолы методом вакуумного литья внутренний каркас 11, на наружных поверхностях и внутренних полостях которого закреплены, соответственно, платы 12 с электронными компонентами бортовой аппаратуры связи и управления, в том числе, светодиоды подсветки 5, датчик углового положения корпуса 13 (например, BNO 055 фирмы BOSCH, Германия) и магнитные датчики 14 угловых поворотов колес относительно корпуса (например, AS 5145 В фирмы AMS, Австрия), радиоприемник 15, видеопередатчик 16 (фиг. 4). Фронтальная видеокамера 4, микрофон 17, аккумуляторные батареи 18 и электроприводы 19, выполненные в виде комплектной сборки двигателя с редуктором. На выходном валу редуктора установлена зубчатая шестеренка 20, которая находится в зацеплении с зубчатым колесом 21 на выходном валу привода 22, на конце которого выполнена резьба. В свою очередь, выходные валы 22 установлены с помощью втулок 23 и фиксирующих шайб 24 соосно вдоль продольной оси корпуса.
Колесам, выполненным из эластичного резиноподобного материала, например, двухкомпонентной полиуретановой смолы методом вакуумного литья, придана каплевидная форма с равномерным оребрением, причем на каждом ребре 25 (фиг. 5) выполнены грунтозацепы 26.
Колеса устанавливаются на валах приводов 22 и фиксируются с помощью пружинных шайб 27 и крепежных гаек 28 (фиг. 6), при этом удлиненная концентрично сужающаяся часть колеса охватывает корпус 1.
Снаряженный внутренний каркас 11 крепится внутри оболочки 10 с помощью винтов 29, ввинчиваемых в фиксирующие шайбы 24 (фиг. 6).
Технологические окна в оболочке 10 закрываются с помощью специальных крышек 30, 31 и крепежным фланцем хвоста 32 (фиг. 6).
Хвост 3 также выполнен из эластичного материала, подобного материалу колес, методом вакуумного литья. На свободном опорном конце хвоста установлена видеокамера 33 (фиг. 7) с размещенными на плате светодиодами подсветки 34. Видеокамера 33 с платой 34 зафиксированы и защищены с помощью прокладки 35 и крышки 36 с прозрачным окном. Внутри хвоста установлены две антенны 37. Оборудование хвоста электрически соединено с бортовым оборудованием корпуса с помощью электроразъема 38, зафиксированного с помощью планки 39. Магнит 40 датчика углового поворота колеса (фиг. 8) установлен на выходном валу 22 соосно плате датчика 14.
Малогабаритный мобильный робот работает следующим образом. Робот доставляется в зону проведения мониторинга путем заброса, например, с помощью мускульной силы человека. Непосредственно перед заброской вынимается ключ 7, вследствие чего замыкаются цепи питания бортового оборудования и происходит включение устройства. При этом по умолчанию для радиосвязи используются антенны на верхней стороне корпуса. При падении робот контактирует с грунтом оребренными колесами, обычно последовательно, при этом ударные контактные нагрузки амортизируются за счет больших упругих деформаций в теле колеса. В случае приземления с первичным касанием хвостом, последний упруго деформируется и гасит часть ударной нагрузки, далее происходит контактное взаимодействие колес с грунтом с пониженной силой.
После приземления, при остановке робота в «штатном» положении с опорой на хвост антеннами вверх, он находится в работоспособном состоянии и готов принимать и выполнять команды оператора. В случае остановки в положении антеннами вниз, бортовая система управления автономно определяет ориентацию робота в пространстве по показаниям датчиков положения корпуса 13 и автономно выполняет заранее предусмотренные и запрограммированные действия по возращению в «штатное» положение за счет вращения колес в заданном направлении с заданным ускорением, в результате чего происходит поворот корпуса относительно колес до контакта хвоста с грунтом, как показано на фиг. 1, при этом антенны переходят в положение вверх, устанавливается радиосвязь с дистанционным пультом управления, робот переходит в работоспособное состояние - передает видеоинформацию и готов принимать и выполнять команды оператора.
Оператор, контролируя и оценивая обстановку по видеоинформации, полученной с фронтальной видеокамеры и отображаемой на дисплее пульта, задает направление движения робота с требуемой скоростью, например, в режиме непрерывного ручного управления вращением колес с помощью джойстика на пульте управления. При необходимости оператор может задать роботу маршрут движения с передачей исполнения данной команды бортовой системе управления, которая соответствующим образом управляет вращением колес, параметры которого контролируются с помощью датчиков поворотов колес 13, при этом использование информации от датчиков 14 положения корпуса в пространстве в алгоритмах управления вращения колес позволяет минимизировать отклонения робота от маршрута при движении по местности со сложным рельефом При этом оператор сохраняет возможность периодически контролировать и, при необходимости, корректировать движение робота, реализуя супервизорный режим управления.
В случае появления препятствия типа уступ или ступенька, робот при его преодолении наезжает одним из ребер колеса как показано на рисунке 5, при этом грунтозацепы улучшают сцепление колеса с опорной поверхностью за счет того, что реализуется вертикальная направленность опорной реакции в точке контакта. Как показано на рисунке, высота преодолеваемого может достигать более половины радиуса колеса.
При необходимости увеличить зону обзора, например, при наличии препятствий в зоне видимости фронтальной видеокамеры, оператор выдает команду на перевод робота в режим движения с вертикально ориентированным хвостом (см. фиг. 9), что позволяет получать больший объем видеоинформации об окружающей обстановке за счет большей высоты хвостовой видеокамеры. При этом для радиосвязи используются антенны, расположенные в хвосте робота. Для движения в таком режиме используются известные, хорошо отработанные алгоритмы, например, алгоритмы движения двухколесной платформы типа «Сигвей» (Segway) (патент RU 2245267), которые реализуются на базе информации от датчиков положения корпуса. 14. Оребрение колес способствует облегчению балансирования в режиме покоя (стояния).