СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫМ РОБОТОМ

Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована при разработке систем управления мобильными и микророботами, обеспечивающих их перемещения по заданной траектории и выполнение работ в труднодоступных или опасных для жизни человека местах.
Из описания к RU 2424891 [1] известен транспортный робот, который содержит платформу, колеса, поворотные электродвигатели, маршевые электродвигатели, источник питания и бортовую вычислительную сеть, включающую установленные на платформе головной контроллер и контроллеры управления поворотными электродвигателями. На вилках соответствующих колес установлены контроллеры управления маршевыми электродвигателями. Система управления содержит беспроводной канал обмена данными между контроллерами бортовой вычислительной сети и три узла передачи электрического сигнала через вращающееся сочленение от источника питания на контроллеры управления маршевыми электродвигателями. Изобретение обеспечивает повышение маневренности транспортного робота. Поскольку описанный выше транспортный робот не содержит технологического оборудования, то и известная система управления транспортным роботом не содержит блоков, позволяющих обеспечивать управление им.
Известна система управления мобильным роботом (RU 83858 U1 [2]), содержащая регулятор и набор ультразвуковых датчиков, энкодеров и электронный компас. Регулятор включает нейронную сеть-классификатор, блок нечеткой логики и блок определения текущего расстояния до цели и угла отклонения и базу правил. Выход блока определения текущего расстояния до цели и угла отклонения соединен с блоком нечеткой логики, выход блока внешних ультразвуковых датчиков соединен с входом нейронной сети-классификатора и входом блока нечеткой логики регулятора. Выход нейронной сети-классификатора соединен с входом блока нечеткой логики, выход блока нечеткой логики соединен с мобильным роботом. Система управления предполагает обеспечение перемещения робота в условиях наличия большого количества препятствий (например, в закрытых помещениях) и автономное принятие решений о 6 изменении направления движения по пути к достижению цели. Соответственно, из-за отсутствия технологического оборудования отсутствуют и блоки, обеспечивающие управление.
Похожая система для управления движением адаптивного робота, обладающего свойствами искусственного интеллекта описана в RU 2143334 [3]. Технический результат заключается в обеспечении эффективного достижения мобильным роботом цели, находящейся за пределами области дистантного восприятия блока сенсорных датчиков. Устройство содержит блок сенсорных датчиков, блок формирования модели внешней среды, m-стабильный триггер, блок исполнительных устройств, управляющую ЭВМ, блок задания координат цели и собственного положения робота, вычислительный блок, содержащий матрицу ключевых элементов размером k·m, блок дополнительных ключевых элементов, содержащий радиальный слой дополнительных ключевых элементов, дополняющий матрицу ключевых элементов размером k·m до матрицы размером (k+1)·m, боковые слои дополнительных ключевых элементов и блок формирования промежуточной цели. Блоки управления технологическим оборудованием отсутствуют.
Также к системам управления мобильными и микророботами, обеспечивающих их перемещения по заданной траектории относится и изобретение по RU 2185279 [4]. Технический результат заключается в повышении точности. Устройство содержит механическую систему робота, исполнительные устройства, блок датчиков внутренней информации, сенсорную подсистему, блок планирования перемещений в пространстве внешних координат, блок вычисления вектора нелинейных элементов, блок вычисления матрицы коэффициентов управления, блок вычисления производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, блок вычисления производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок вычисления вектора внешних скоростей, три блока умножения на два, шестнадцать блоков перемножения, двенадцать блоков суммирования, блок обращения матрицы, три блока транспонирования матриц. Блоки управления технологическим оборудованием отсутствуют.
Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности является система управления мобильным роботом. (RU 2210491 [5]) Система содержит устройство для перемещения мобильного робота по помещению, устройство для обнаружения наличия препятствия на пути мобильного робота, устройство для определения местоположения мобильного робота, первый приемопередатчик, содержащий ВЧ-модуль, для передачи и приема сигнала для управления устройством для перемещения мобильного робота, устройством для обнаружения препятствий и устройством для определения местоположения, и управляющий компьютер для обработки данных о сигнале с первого приемопередатчика и передачи управляющей команды на мобильный робот. Управляющий компьютер содержит средства связи для связывания компьютера с Интернет. Управляющий компьютер содержит второй приемопередатчик, содержащий ВЧ-модуль, для передачи сигнала на первый приемопередатчик мобильного робота и приема сигнала с этого приемопередатчика, видеоплату для обработки видеоданных, полученных при помощи первого приемопередатчика от устройства обнаружения препятствия и устройства определения местоположения. Из технологического оборудования мобильный робот содержит пылесос, включающий всасывающее отверстие для всасывания мусора, пылесборник для сбора мусора и двигатель для создания всасывающей тяги и соответствующий блок управления им. Мобильный робот дополнительно содержит обзорную телекамеру наблюдения.
Недостатком известной системы управления является ограниченность функциональных возможностей и, в частности, отсутствие возможности дистанционного управления оператором перемещением робота и работой установленного на нем технологического оборудования.
Заявляемая система управления мобильным роботом направлена на расширение функциональных возможностей и обеспечение управления оператором перемещением робота и работой установленного на нем технологического оборудования.
Указанный результат достигается тем, что система управления мобильным роботом, содержит соединенные между собой силовыми и сигнальными кабелями стационарную часть и часть, размещенную непосредственно на подвижной платформе робота, при этом в стационарной части размещены пульт управления с блоком кнопок и четырьмя двухкоординатными джойстиками, блок питания стационарной части и питания подвижной платформы, а также промышленный компьютер для приема информации с подвижной платформы и выдачи сигналов управления платформой и управления технологическим оборудованием, а на подвижной платформе робота - соединенные между собой маршрутизатор, бортовая ЭВМ, микроконтроллерные блоки непосредственного управления технологическим оборудованием и видеокамеры, видеоизображение с которых транслируется на монитор промышленного компьютера.
Указанный результат достигается так же тем, что часть, размещенная непосредственно на платформе робота снабжена соединенным со стационарным блоком и бортовой ЭВМ маршрутизатором, к которому непосредственно либо через бортовую ЭВМ подсоединены все бортовые устройства.
Указанный результат достигается так же тем, что подвижная платформа снабжена видеокамерами, выходы которых соединены с маршрутизатором.
Указанный результат достигается так же тем, что в качестве датчиков положения элементов ходовой части использованы датчики Холла.
Указанный результат достигается так же тем, что система снабжена средством экстренной остановки платформы и отключения технологического оборудования. Указанный результат достигается так же тем, что промышленный компьютер и бортовая ЭВМ работают под управлением операционной системы семейства Li-nux.
Приведенная совокупность признаков обеспечивает достижение заявленного результата, функционирование мобильного робота и установленного на нем технологического оборудования.
Система управления состоит из неподвижной части, которая представляет собой пульт управления, и подвижной, размещенной на борту робота.
Пульт управления построен на базе портативного компьютера с подключенными к нему периферийными устройствами, которые необходимы для управления движениями механизма и наблюдением за ним. Список периферийных устройств, подключаемых к портативному компьютеру, включает в себя двухкоординатные шарнирные манипуляторы (джойстики). Для подключения к компьютеру нескольких устройств посредством аппаратного протокола Ethernet в состав пульта управления также входит проводной маршрутизатор.
Положение джойстиков и нажатие кнопок операторского пульта отслеживается специализированной платой, подключаемой к портативному компьютеру по интерфейсу USB.
Подвижная часть системы управления состоит из встраиваемой ЭВМ на базе встраиваемого компьютера и электронного блока управления. Электронный блок управления соединяется с встраиваемой ЭВМ также с помощью шины USB.
Сущность заявляемой системы управления мобильным роботом поясняется примером ее реализации и чертежами. На фиг.1 представлена принципиальная блок-схема стационарной части системы. На фиг.2 представлена принципиальная блок-схема части системы, размещенной непосредственно на платформе робота,
Система управления состоит из стационарной части 1, которая включает пульт управления 2 и блок 3 питания стационарной части и подвижной платформы. В состав пульта входит промышленный компьютер (ноутбук) 4 с которым соединена плата обработки сигналов джойстиков, к которой подключены джойстики:
- №5 - для управления подвижной платформой робота
- №6 - для управления технологическим оборудованием.
Для экстренной остановки платформы и всего технологического оборудования предусмотрена кнопка 7. Стационарная часть соединена набором силовых и сигнальных кабелей 8 с подвижной платформой робота. На подвижной платформе 9 мобильного робота размещены следующие элементы системы управления: видеокамеры 10, маршрутизатор 11, технологическое оборудование 12 с приводом 13, микроконтроллер 14, блок измерения угла поворота 15, драйвер мотора 16, мотор поворота платформы 17, встраиваемая ЭВМ 18, блок питания 19, соединенный силовым кабелем с блоком питания стационарной части, датчики 20 штоков (ходовых и присосок), датчики 21 вакуума в присосках, электропневмоклапаны 22.
Система управления функционирует следующим образом.
Программное обеспечение встраиваемой ЭВМ 18 производит циклический мониторинг состояний джойстиков 5 и 6. Помимо мониторинга состояния джойстиков программное обеспечение встраиваемой ЭВМ осуществляет опрос клавиатуры, для обеспечения задачи оператором дискретных команд (включение/выключение исполнительных устройств, а также переключение исполнительных устройств)
Поступившие данные о состоянии кнопок и положении джойстиков передаются на борт подвижной платформы Фиг.2 по протоколу TCP-IP на базе аппаратного протокола Ethernet.
Работа системы управления:
При установке оператором джойстика 5 в положение «вперед» либо «назад» команда передается на борт подвижной платформы Фиг.2, где происходит отработка соответствующей подпрограммы управления электропневматическими клапанами 22. В результате отработки подпрограммы платформа делает шаг в заданном оператором направлении. Контроль положения штоков пневматических цилиндров осуществляется путем считывания состояний датчиков 20. Контроль надежности присасывания соответствующих ног робота осуществляется считыванием датчиков вакуума 21 на присосках робота. При установке пользователем джойстика 5 в положение «лево» и «право», на подвижную платформу передается команда «вращение» по часовой либо против часовой стрелки соответственно (вид на платформу сверху). Вращение осуществляется до возвращения оператором джойстика 5 в исходное положение, либо до достижения платформой предельного положения вращения, которое отслеживается считыванием состояния датчиков угла поворота 15. В качестве привода вращения используется электромотор постоянного тока 17, управляемый драйвером 16. Управление электропневматическими клапанами, драйвером электромотора осуществляется микроконтроллером 14. Кроме того, микроконтроллер осуществляет непосредственное считывание датчиков 15, 20, 21. Исполнительные команды поступают на микроконтроллер от встраиваемой ЭВМ 18, которая, в свою очередь, подключена к маршрутизатору 11. Маршрутизатор 11 осуществляет прием и передачу пакетов данных от операторского пульта на платформу и от платформы на операторский пульт. Также маршрутизатор осуществляет распределение сетевых пакетов между устройствами, находящимися на борту подвижной платформы, и подключенных к маршрутизатору.
Для визуального контроля оператором окружения робота, а также для контроля хода работы технологического оборудования используются установленные на борту робота IP-видеокамеры, передающие видеосигнал по протоколу TCP-IP также подключенные к маршрутизатору 11.
Движение приводами видеокамер, а также приводами технологического оборудования осуществляется следующим образом: Манипуляторы представляют собой набор двухосевых приводов, каждый из которых обеспечивает две степени свободы. Для движения манипулятором оператор выбирает с помощью промышленного ноутбука 4 (Фиг.1) активное двухосевое сочленение. Активный (выбранный оператором) двухосевой привод схематично отображается на экране ноутбука 4. (Фиг.1) Затем, с помощью джойстика 6 (Фиг.1) осуществляется подбор требуемого положения выбранного двухосевого привода. Каждая ось двухосевого привода поворачивается на величину соответствующую положению джойстика по осям Х и Y.