Мобильный робот

Полезная модель относится к робототехнике и может найти применение в качестве мобильного робота и самодвижущейся транспортной тележки в цехах промышленных предприятий.
Известен мобильный робот, содержащий платформу со смонтированными на ней колесами, датчики параметров движения и бортовой компьютер [1].
Недостатком данного варианта является то, что мобильный робот обладает ограниченной маневренностью.
Известен мобильный робот, содержащий платформу, три колеса, три колесных вала со смонтированными на них колесами, установленные на платформе три колесные вилки, два электродвигателя, датчик угла поворота первого колеса, датчик скорости вращения первого колеса, источник питания и бортовую вычислительную сеть, при этом колесный вал первого колеса кинематически связан с выходным валом первого электродвигателя, датчиком угла поворота первого колеса и датчиком скорости вращения первого колеса, а оси колесных валов первого и второго колес лежат на одной прямой [2].
Недостатком этого варианта является то, что конструктивные особенности мобильного робота не позволяют ему разворачиваться на месте и осуществлять движение в произвольном направлении без его предварительной ориентации, что ограничивает его маневренность в целом.
Наиболее близким к заявленной модели является устройство, размещаемое на тележке мобильного робота с электромоторами, которая содержит 4 стандартных и недорогих ультразвуковых датчика расстояния, например, типа HCSR04 (см. Product User's Manual «Ultrasonic Sensor HCSR04» / Cytron Technologies Sdn. Bhd., Skudai, Malaysia, цена в 2013 г. около 5 USD за датчик), расположенных на тележке мобильного робота (сокращенно - тележке робота) с учетом возможности измерения расстояния до предметов и стен в помещении в 4-х взаимно перпендикулярных направлениях по направлению движения робота - вперед, назад, вправо, влево. Также предлагаемое устройство содержит электронный блок памяти, вычислений и управления ультразвуковыми датчиками расстояния и движением тележки (сокращенно - бортовой компьютер), в который заложена геометрическая карта-план помещений и алгоритм управления перемещением робота. Выходы ультразвуковых датчиков расстояния выполнены с возможностью подключения к входам бортового компьютера, а выходы бортового компьютера выполнены с возможностью подключения входов устройств управления ультразвуковыми датчиками, а именно устройств запуска датчиков на измерение, и устройств блока электромоторов тележки, также управляемых по командам с бортового компьютера. Геометрическая карта-план помещений при этом содержится в блоке памяти компьютера и представляет собой список объектов - комнат и коридоров помещений – с присвоенными им характерными отличительными признаками: условными номерами (названиями), геометрическими размерами - шириной (W) и длиной (L) каждого помещения в метрах, номером соседнего помещения с которыми данное помещение соединено входом, а также левыми {X;Y} L и правыми {X;Y}R координатами входа в помещение относительно декартовых осей X и Y, расположенных по двум примыкающим друг к другу стенкам помещения - передней (X) и левой (Y) соответственно [3].
Недостатком данной системы является то, что данная система позволяет мобильному роботу функционировать только в помещениях имеющие стены. Это связано с тем, что данная конструкция использует для ориентации стационарные объекты (стены помещения), при их отсутствии навигации системы невозможно.
Задачей полезной модели является ориентация мобильного робота в условиях цеха промышленного предприятия и предотвращение его столкновений с возникающими препятствиями.
Технический результат, заключающийся в повышении автономности работы мобильного робота, достигается тем, что устройство ориентации и навигации тележки мобильного робота при его перемещении по горизонтальной поверхности на заданном участке цеха в отсутствии других динамически перемещающихся объектов, выполненное с возможностью установки на тележку мобильного робота с электромоторами, содержащий электронный блок памяти, вычислений и управления датчиками и движением тележки, в память электронного блока памяти заложена геометрическая карта-план участков цеха, содержащая номера всех участков, доступных для робота, их геометрические размеры, а именно длину и ширину, геометрические параметры основного оборудования и мест загрузки и выгрузки материальных потоков и координаты проходов между участками цеха, а также алгоритм управления перемещением тележки мобильного робота в зависимости от текущих координат робота и цели его движения отличающееся тем, что содержит в себе ультразвуковой локатор расстояния, состоящий из ультразвукового датчика и сервопривода для слежения пространства впереди себя, четыре световых инфракрасных датчика для предотвращения выхода робота за пределы участка цеха и цифровой гироскоп для точного определения своего положения в системе координат пространства цеха.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фиг.1 внешний вид мобильного робота
Фиг.2 ультразвуковой локатор
Фиг.3 разложение участка цеха на ячейки
Фиг.4 алгоритм перемещения мобильного робота
Фиг.5 блок-схема работы устройства управления мобильного робота
Предлагаемое устройство схематично показано на Фиг.1. Мобильный робот состоит из платформы 1, на которую устанавливается бортовой вычислительный компьютер 2, который самостоятельно создает алгоритм управления. Для точного определения местоположения мобильный робот имеет гироскоп 3, который передает координаты местоположения. Гироскоп 3 устанавливается в центре масс мобильного робота. Колесо 4 и 5 являются приводными, а колесо 6 свободно вращается вокруг своей оси. В движение колеса 4 и 5 приводят два электродвигателя 7 и 8. Источником питания 9 всего мобильного робота являются четыре щелочные батарейки типа АА (это минимальное и достаточное количество необходимое для функционирования всех электронных компонентов, больший объем заряда позволит увеличить время автономной работы, но увеличит нагрузку на платформу 1). Для предотвращения столкновения с каким-либо объектом устанавливается ультразвуковой датчик расстояния 10 на сервопривод 11, который в свою очередь закрепляется на платформу 1. Распознание границы участка мобильным роботом осуществляется с помощью инфракрасных датчиков света 12, 13, 14 и 15, установленные на крайних точках по периметру платформы 1.
Фиг.2 поясняет принцип работы ультразвукового локатора. Локатор состоит из ультразвукового датчика расстояний 10 и сервопривода 11. Ультразвуковому датчику 10 достаточно поворачиваться на 75° в обе стороны, чтобы охватить все пространство перед собой. Сервопривод 11 предназначен для совершения поворота ультразвукового датчика.
Принцип разбиения участка цеха на ячейки и принимаемая система координат для них поясняются на Фиг.3. Мобильный робот А функционирует на участке цеха, где располагаются обрабатывающие центры Б, В, Г (в рассмотренном случае три штуки каждого наименования). Возле каждого обрабатывающего центра располагается робот-манипулятор Д для установки заготовок/готовых деталей на станок и обратно. Траектория движения мобильного робота строится только на известной территории. В память бортового компьютера мобильного робота карту местности можно занести двумя способами: в сторонней программе спроектировать весь цех, а затем только эти данные заносятся в бортовой компьютер; перед тем как мобильный робот начнет функционировать самостоятельно, его сначала пускают «изучить» местность и все объекты, которые находятся в пределах промышленного цеха. В первом случае основным недостатком является большая вероятность совершения ошибки измерения или проектирования параметров местности и объектов, находящихся на ней. Во втором случае робот может недостаточно подробно изучить все участки цеха. Также бывают «узкие» места, которые может принять за ограничение и в дальнейшем программа не позволяет повторно изучить данный участок. Следует отметить, что первый способ является более предпочтительным на данный момент: тактильные датчики мобильного робота могут компенсировать погрешность измерения и в процессе функционирования вносить корректировки в алгоритм управления и навигации. Также в ранее созданную планировку цеха можно легко внести исправления в случае переоборудования цеха или каких-либо отдельных участков, при этом новую планировку по радиосвязи можно быстро передать на бортовой компьютер мобильного робота, т. е. без отрыва от его прямых обязанностей на производстве.
Цех представляет собой площадь, разделенную на несколько участков. Каждый участок отделяется от соседних участков яркой полосой краски на полу. Краску при определённых усилиях можно стереть и нанести вновь, что позволяет легко переоборудовать цех в зависимости от технического задания. Распознавание границы участка мобильным роботом осуществляется с помощью инфракрасных датчиков света 12, 13, 14 и 15, которые установлены на крайних точках по периметру платформы 1. Данная компоновка расположения инфракрасных датчиков позволяет предотвратить выход робота за границы участка (на фиг.2 схематично толстой линей показана граница участка цеха).
На Фиг. 4 показан алгоритм перемещения мобильного робота на участке цеха по ячейкам.
Все ячейки классифицируются следующим образом:
- 1, 6, 15, 16, 21, 42, 43 – промежуточные ячейки, позволяющие перемещаться между группами станков с наибольшей скоростью;
- 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 17, 18, 20, 22, 23, 25, 27, 29, 30, 31, 33, 34, 35, 37, 38, 39, 41 – пристаночные ячейки;
- 3, 9, 13, 19, 24, 28, 32, 36, 40 – ячейки нахождения манипулятора для обслуживания металлорежущих станков.
На фиг.5 показана обобщенная блок-схема принципа работы мобильного робота в цехе промышленного предприятия.
Источники информации
1. Патент № 2303240 от 02.03.2006 г. Способ определения пространственного положения и угловой ориентации тележки транспортного средства.
2. Патент №2446937 от 23.04.2010 г. Мобильный робот.
3. Патент № 139571 от 20.04.2014 г. Устройство ориентации и навигации тележки мобильного робота при его перемещении по горизонтальной поверхности в заданном помещении.