Двухмодульный мобильный робот

Устройство относится к самоходным транспортным средствам, а именно к мобильным роботам, и направлено на упрощение конструкции, повышение надежности, расширение функциональности и снижение стоимости мобильного робота.
Устройство способно передвигаться внутри помещений и на открытой местности с различным видом поверхности (грунт, асфальт, песок, грязь, вода и т.п.) в том числе и в условиях заражения ядовитыми и радиоактивными веществами. Устройство может быть использовано в качестве дистанционно управляемого или автономного наземного мобильного средства для инспекции охраняемых территорий, малозаметной разведки местности, в том числе и в опасных для человека условиях, обнаружения подозрительных объектов, дистанционной проверки личности, а при необходимости, уничтожения опасных объектов.
Известен робот-шар (Патент РФ № RU 2315686, B25J 9/00, B25J 11/00, опубл. 27.01.2008 г.), содержащий полую сферу, установленные внутри сферы двигатели, зафиксированные таким образом, что их геометрические оси перпендикулярны друг другу и пересекаются в геометрическом центре сферы. Один из двигателей установлен на внутренней поверхности сферы и соединен посредством каркаса, выполненного в форме четверти окружности, со вторым двигателем, установленным на свободном конце упомянутого каркаса и снабженным аналогичным каркасом, связанным с его валом.
Недостатком такого мобильного робота-шара является сложность конструкции; используемая сложная кинематическая схема увеличивает его стоимость, снижает надежность и быстродействие, не позволяя осуществлять все многообразие возможных направлений и траекторий движения, а также двигаться в любом заданном направлении без дополнительных (предварительных) перемещений подвижных масс внутри сферической оболочки. Еще одним недостатком такого робота является неточность движения, связанная с тем, что для поворота робота в любом направлении необходимо, чтобы один из двигателей, установленный на внутренней поверхности сферы был в верхней части шара; при наезде робота на препятствие указанный двигатель может выйти из верхнего положения и тогда поворот станет неточным.
Известен также сфероробот (Патент РФ на полезную модель № RU 149 882 U1 B25J 5/00, опубл. 20.01.2015 г.), содержащий полый корпус, состоящий из полусфер, каркас в виде экваториального диска, установленный в разъеме полусфер, роторные движители, отличающийся тем, что в экваториальном диске выполнены окна, в которых установлены роторные движители, при этом оси вращения роторов расположены под углом 90° по отношению друг к другу, а точка пересечения осей движителей находится на линии диаметра корпуса, расположенной перпендикулярно оси экваториального диска. Движение сфероробота осуществляется за счет создания движущего момента при ускоренном вращении роторов роторных движителей. При этом кинетические моменты роторов складываются и создают суммарный кинетический момент, приводящий в движение сфероробот.
Недостатками сфероробота являются сложность механической конструкции и системы управления. Для его перемещения используются три ротора, приводимые во вращение тремя электродвигателями, причем скорость и направление вращения каждого из двигателей по сложным алгоритмам связаны с соответствующими параметрами вращения остальных двух двигателей. Следствием этого являются высокая стоимость и пониженная надежность; кроме того, как указывают сами авторы, движущий момент появляется лишь при ускоренном вращении роторов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, является дистанционно управляемый катящийся робот SpheROB, описанный в статье «Роботы-шары: новая конструкция мобильных роботов» / В.Е. Павловский [и др.] // Научное обозрение. Журнал о реалиях Российской науки. - 2012. - №3 (10) - с.18-20 (ссылка «№3(10) / декабрь» на архив журнала: http://scientific.ics.org.ru/archive), который был выбран в качестве прототипа.
Робот SpheROB представляет собой сферу, внутри которой расположены маятник с грузом с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через центр сферы, и три электропривода, обеспечивающие три управляемые степени подвижности маятника, две из которых задают отклонение маятника от экваториальной плоскости сферы, третья служит для поворота приводной системы сферы в экваториальной плоскости. Маятник является движителем этого робота, его поворот вызывает перемещение центра масс внутри сферы и обеспечивает вращающий момент, вызывающий качение сферы. Маятник конструктивно образован системой управления робота и аккумуляторной батареей.
Недостатками робота SpheROB являются сложность механической конструкции (она должна обеспечивать перемещение маятника по трем независимым координатам) системы управления (для перемещения маятника по трем координатам необходимо одновременно согласованно управлять тремя электроприводами, причем скорость и направление вращения каждого из приводов по сложным алгоритмам связаны с соответствующими параметрами вращения остальных двух приводов) и, как следствие, высокая стоимость и низкая надежность.
Робот SpheROB также обладает ограниченной функциональностью, в частности отсутствует возможность его использования для необходимой в некоторых случаях скрытной доставки небольших предметов (инструментов, запчастей) в сложных условиях работы (разведка местности, перемещение на поле боя и т.п.). Как у каждого вращающегося (без жестко закрепленной оси вращения) тела, у робота SpheROB при движении будет иметь место прецессия, т.е. перемещение оси вращения робота по образующей конуса, что вызывает покачивание робота и может искажать изображение с установленной на нем видеокамеры.
Задачи заявляемой полезной модели заключаются в упрощении конструкции, повышении надежности, расширении функциональности и снижении стоимости мобильного робота.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что двухмодульный мобильный робот, содержащий полый замкнутый жесткий корпус, размещенные внутри корпуса источник энергии, роторный движитель, характеризующийся тем, что используются два идентичных по конструкции полых корпуса, соединенных между собой шарниром с возможностью свободного вращения вокруг общей геометрической оси, причем каждый из корпусов содержит один однокоординатный роторный движитель, ось вращения которого совпадает с общей осью вращения обоих корпусов;
- двухмодульный мобильный робот, характеризующийся тем, что полые корпуса могут иметь геометрическую форму тел вращения, при этом осями симметрии и вращения является ось вращения обоих корпусов;
- двухмодульный мобильный робот, характеризующийся тем, что шарнир соединяет корпуса между собой с помощью двух трубчатых стержней, оси которых совпадают с общей геометрической осью вращения обоих корпусов робота; при этом каждый из трубчатых стержней одним своим концом жестко соединен с одним из корпусов, а другим своим концом - с шарниром, обеспечивающим возможность свободного вращения корпусов с соответствующими трубчатыми стержнями вокруг общей геометрической оси робота.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является упрощение конструкции мобильного робота, повышение его надежности и снижение стоимости за счет уменьшения количества необходимых степеней подвижности роторного движителя с трех до одного в каждом модуле и соответствующего упрощения системы управления движителями, т.к. теперь отсутствует необходимость согласованно управлять тремя электроприводами, скорость и направление вращения каждого из которых по сложным алгоритмам были связаны с соответствующими параметрами вращения остальных двух приводов. Использование двух одинаковых электроприводов (вместо трех разных у прототипа) увеличивает степень унификации заявляемого робота, что делает его конструктивно гораздо проще, надежней и дешевле робота-прототипа.
Техническим результатом является устранение паразитных поперечных колебаний геометрической оси заявляемого мобильного робота, которые у прототипа неизбежно возникали вследствие прецессии вращающейся сферы при ее качении. Поскольку заявляемый робот имеет две опорных площадки (вместо одной у прототипа), его ось вращения всегда остается параллельной поверхности, по которой он катится, что исключает появление прецессии. Устранение прецессии расширяет функциональность заявляемого робота, что проявляется в возможности избавить устанавливаемую на нем полезную нагрузку, например, видеокамеру, от паразитных колебаний, снижающих качество видеоизображения.
Расширение функциональности заключается также в том, что в заявляемом роботе в отличие от прототипа корпуса модулей могут иметь форму, отличную от сферической (например, конусов, сдвоенных конусов, эллипсоидов вращения и др.), но одинаковую для обоих корпусов, что позволяет выбирать конфигурацию мобильного робота в зависимости от характера местности и выполняемой задачи.
Расширение функциональности и области применения заключается также в том, что использование удлиняющих стержней позволяет увеличить расстояние между модулями двухмодульного мобильного робота, что дополнительно стабилизирует его движение, увеличивает вращательный момент при повороте робота и расширяет возможности при работе на местности с различными особенностями рельефа или при выполнении специальных задач.
Расширение функциональности заключается также в том, что заявляемый робот в случае необходимости может быть использован для транспортировки небольших предметов (инструментов, запчастей) в сложных условиях работы (разведка местности, перемещение на поле боя и т.п.) без нарушения целостности корпуса модуля: контейнер с транспортируемым предметом просто цепляется за суженный участок между модулями.
Расширение функциональности заключается также в том, что при том же полезном объеме, что и у прототипа, заявляемый робот будет иметь меньшую высоту (например, при сферической форме корпусов модулей объем одной большой сферы распределяется на два корпуса меньшего диаметра), а значит, при работе в сложных условиях (разведка местности, перемещение на поле боя и т.п.) будет обладать большей скрытностью.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на
фиг. 1 схематически изображена его конструкция;
фиг. 2 показан один из возможных вариантов шарнирного соединения модулей между собой;
фиг. 3 схематически показано, что корпуса модулей могут иметь форму геометрических тел вращения, отличающихся от сферы: a - конусов, b - сдвоенных усеченных конусов, c - эллипсоидов вращения;
фиг. 4 в разрезе изображен один из возможных вариантов соединения модулей трубчатыми стержнями.
Заявляемый робот включает два одинаковой формы полых модуля (левый и правый), корпуса 1 и 2 которых соединены между собой шарниром 3. Каждый из модулей (левый и правый) содержит по одному блоку управления 4 и 5 роторными движителями. Роторные движители могут быть выполнены, например, в виде маятников, состоящих из стержня 6 и груза 7 (в правом модуле) и стержня 8 и груза 9 (в левом модуле). Оси вращения движителей-маятников совпадают с общей геометрической осью вращения всего двухмодульного мобильного робота, проходящей через оси 10 и 11 левого и правого модулей. Каждый маятник-движитель приводится во вращательное движение с помощью управляемого электропривода. Каждый блок управления 4 и 5 включает аккумуляторную батарею, электропривод движителя, датчики углов поворота движителя и корпуса относительно направления силы тяжести, средства дистанционной передачи показаний датчиков на внешний пульт управления и приема управляющих команд от этого пульта.
Шарнир 3 позволяет модулям свободно вращаться друг относительно друга вокруг общей геометрической оси, проходящей через оси 10 и 11 каждого модуля. Один из возможных вариантов шарнирного соединения модулей между собой изображен на фигуре 2. Здесь шарнир 3 выполнен в виде подшипника, расположенного между корпусами 1 и 2 модулей робота таким образом, что его ось совпадает с общей геометрической осью вращения обоих модулей. При этом внутреннее кольцо подшипника жестко соединено с корпусом одного из модулей (например, левого, позиция 1), а внешнее кольцо подшипника жестко соединено с корпусом другого модуля (например, правого, позиция 2).
В заявляемом роботе корпуса модулей могут иметь форму геометрических тел вращения, отличающихся от сферы, например, конусов (фиг. 3a), сдвоенных усеченных конусов (фиг. 3b), эллипсоидов вращения (фиг. 3c) и т.п., но при этом оба корпуса должны иметь одинаковую форму и общую ось вращения. Достоинством использования корпусов несферической формы может быть, например, возможность размещения в них дополнительного оборудования, имеющего сложную конфигурацию, а также повышение эффективности перемещения робота по местности с различным характером поверхности: на дороге с твердым покрытием могут использоваться корпуса формы, показанной на фиг. 3a и 3b, а на местности с мягким грунтом - корпуса формы 3c.
Модули заявляемого робота могут быть соединены между собой шарниром 3 как непосредственно, так и с помощью трубчатых стержней. На фиг. 4 в разрезе изображен один из возможных вариантов такого соединения. Корпуса 1 и 2 обоих модулей снабжены трубчатыми стержнями 12 и 13, оси которых совпадают с общей геометрической осью вращения всего робота, проходящей через оси 10 и 11 каждого модуля. Каждый из трубчатых стержней одним своим концом жестко соединен с одним из корпусов, а другим - с шарниром 3, позволяющим стержням вместе с соответствующими корпусами свободно вращаться вокруг общей геометрической оси обоих модулей (при этом каждый трубчатый стержень будет входить в состав соответствующего модуля). Использование трубчатых стержней позволяет увеличить расстояние между модулями, что повышает устойчивость робота и расширяет его функциональные возможности при движении по местности с различными особенностями рельефа или при выполнении специальных задач.
Внутреннее пространство модулей может быть полностью изолировано от внешней среды, поэтому все находящиеся внутри каждого модуля электромеханические, электронные и другие компоненты защищены от вредного влияния окружающей среды даже при работе заявляемого робота, например, в воде, пыли, жидкой грязи, запыленной или загрязненной химическими или радиоактивными веществами атмосфере.
Шарнир 3, соединяющий модули между собой, защищен от влаги и загрязнений за счет применения защищенных подшипников (подобных используемым в сельскохозяйственных машинах). К тому же рассматриваемый шарнир 3 является пассивным (он не нагружен, так как через него не передаются никакие силовые воздействия, не проходят электрические, оптические и другие кабели и отсутствует разница давлений по обе стороны этого соединения, что еще более упрощает его защиту. Наличие шарнира 3 не нарушает герметичности модулей (см. фиг. 2), внутреннее пространство которых изолировано друг от друга и от внешней среды.
Заявляемый мобильный робот работает следующим образом.
Когда заявляемый робот находится в выключенном состоянии, стержни 6 и 8 маятников в обоих модулях расположены вертикально, грузы 7 и 9 маятников под действием силы тяжести занимают крайнее нижнее положение, поэтому вращающий момент отсутствует. Робот неподвижен и каждый из корпусов 1 и 2 обоих модулей опирается на местность своей нижней частью.
Когда один из модулей (например, левый) получает по радиоканалу от внешнего пульта управления команду «Вперед», электродвигатель этого модуля (расположенный в блоке управления 4) начинает вращение в прямом направлении. Непосредственно или через редуктор этот двигатель начинает поворачивать стержень 8 маятника левого модуля (вокруг оси 11) таким образом, что закрепленный на конце этого стержня груз 9 отклоняется в сторону заданного направления движения. При отклонении маятника от вертикального положения появляется вращающий момент, заставляющий этот модуль катиться вперед. Система управления, расположенная внутри этого модуля, используя информацию от датчика угла ϕ отклонения стержня маятника от вертикального положения, управляет электродвигателем таким образом, чтобы поддерживать заданное значение угла ϕ, а значит, и скорости качения левого модуля. (Вращающий момент, создаваемый маятником, а значит, и скорость качения робота по местности, пропорциональны синусу угла отклонения стержня маятника от вертикального положения.)
При поступлении от внешнего пульта управления на левый модуль команды «Стоп» двигатель левого модуля отключается, стержень 8 с грузом 9 маятника под действием силы тяжести опускаются в крайнее нижнее положение, вращающий момент становится равным нулю и вращение левого модуля останавливается. Таким же образом поступление от пульта управления команды «Назад» включает электродвигатель в обратном направлении, и внутренняя система управления левого модуля поддерживает заданное значение угла ϕ отклонения стержня маятника, а значит, и скорости качения левого модуля в обратном направлении. Аналогично с пульта управления включается, реверсируется и останавливается электродвигатель правого модуля, обеспечивая его движение.
Для движения всего робота по прямой линии стержни маятников обоих модулей отклоняются в сторону движения на один и тот же угол ϕ, что обеспечивается внутренними системами управления обоих модулей и командами с пульта управления. При этом оба модуля вращаются с одинаковой скоростью, двухмодульный мобильный робот катится как единое целое, и обе части шарнира 3 неподвижны друг относительно друга.
При необходимости поворота двухмодульного робота включается двигатель только одного модуля. Для разворота на месте двигатели обоих модулей вращаются в разных направлениях (т.е. управление заявляемым мобильным роботом аналогично управлению гусеничной машиной - танком или трактором). В случае, когда модули движутся с различной скоростью (или в разных направлениях), шарнир 3 обеспечивает свободное взаимное вращение модулей вокруг общей геометрической оси вращения всего устройства.
Если для увеличения расстояния между модулями используются трубчатые стержни 12, 13 (при этом шарнир 3 располагается между ними), управление двухмодульным роботом и его движение не отличаются от описанного выше. Увеличение расстояния между модулями позволяет сделать перемещение робота по пересеченной местности более устойчивым за счет увеличения «базы» (расстояния между точками, в которых робот касается местности).
Пример осуществления полезной модели. В соответствии с приведенным описанием авторами был изготовлен действующий макет заявляемого мобильного робота с двумя модулями сферической формы, трубчатыми стержнями и шарнирным соединением между ними. Движение робота в трех режимах (движение по прямой, поворот вокруг неподвижного модуля и разворот на месте) было снято на видео, которое может быть представлено по требованию экспертизы. Процесс изготовления и испытания макета подтвердили его конструктивную простоту (по сравнению с прототипом), отсутствие паразитных колебаний оси робота при его качении, возможность транспортировки мелких предметов без нарушения целостности корпусов робота.