МОБИЛЬНЫЙ РОБОТ

Предлагаемое техническое решение относится к робототехнике, а именно к мобильным роботам, предназначенным для дистанционной работы в труднодоступных и опасных для присутствия человека местах. Работа может включать следующие оперативно-тактические действия: разведка местности, наблюдение за потенциально опасными объектами, обезвреживание этих объектов с помощью устанавливаемого дополнительного оборудования различного назначения, а также решение других задач.
Известен гусеничный минивездеход (патент на полезную модель №99604, 2010 г.), включающий шасси, гусеничный движитель, источник тока, электроприводы, двигатель внутреннего сгорания, блоки управления, видеокамеры.
Указанный минивездеход имеет малые массогабаритные размеры, а двигатель обеспечивает низкую скорость передвижения (около 5 км/ч), не позволяя решать задачи, требующие высокой мобильности. Минивездеход способен выдерживать небольшую полезную нагрузку, предназначен для установки ограниченного перечня устройств - боевых средств малого калибра, устройств самозащиты.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является робототехническая система (патент США №8100205, «Robotic system and method of use», 24.01.2012, RoboteX Inc. (Palo Alto, CA)) - мобильный робот, включающий гусеничное либо колесное шасси, установленный на него корпус, на котором установлено навесное оборудование и устройство приемопередающее для проводного или дистанционного управления роботом. В корпусе размещены модуль привода шасси (с двигателем, генератором электрического тока и блоками управления шасси и двигателем), управляемый блоком управления через блок электрики привода шасси, и источник питания для подачи питания на модуль привода шасси и блок электрики привода шасси. Блок управления управляет также навесным оборудованием и устройством приемопередающим (УПП).
Недостатком описанного изделия является то, что запуск двигателя, его работа (особенно при установке электрического двигателя), включение и работа блока управления, а при установке навесного оборудования - и работа этого оборудования, осуществляется от одного источника питания (блок аккумуляторных батарей, состоящий из двух батарей, каждая в виде двух групп из четырех элементов - военных батарей BB2590), что при больших нагрузках на сложно проходимых участках резко сокращает продолжительность работы и вероятность бесперебойного функционирования изделия. Блок батарей не может обеспечить долговременное автономное функционирование дополнительно установленного оборудования, особенно энергоемкого.
Задачей настоящего технического решения является создание мобильного робота, способного автономно функционировать длительный период времени, а также обеспечить следующий технический результат: обеспечение независимого питания блока управления и навесного оборудования, их бесперебойная работа даже при больших нагрузках на труднопроходимых участках, увеличение времени работы изделия без подзарядки, экономя времени на техническое обслуживание робота, а также расширение функциональных возможностей изделия за счет многообразия навесного оборудования (в том числе энергоемкого).
Поставленная задача решается тем, что мобильный робот, кроме источника питания для модуля привода шасси, дополнительно содержит независимую систему питания из дополнительного генератора электрического тока (например, бензо- или дизельного генератора) и хотя бы одного дополнительного источника питания (аккумуляторная батарея), параллельно подключенные к блоку силовой электрики (БСЭ) для обеспечения подачи необходимого напряжения питания на БУ, основное и дополнительное навесное оборудование, УПП. Таким образом, при использовании полезной модели заявленный технический результат достигается введением в схему робота независимой системы питания.
При этом мобильный робот, включает корпус для размещения элементов управления оборудованием и движением робота, установленный гусеничное или колесное шасси. В корпусе установлены источник питания для подачи питания на модуль привода шасси (с двигателем шасси, генератором электрического тока и блоками управления шасси и двигателем) и блок электрики привода шасси, на корпусе - навесное оборудование и устройство приемопередающие. В корпусе установлены блок управления, управляющий модулем привода шасси через блок электрики привода шасси, навесным оборудованием и устройством приемопередающим. БУ управляет включением/выключением навесного оборудования через БСЭ и дополнительного генератора.
Предпочтительно, чтобы корпус включал основание, в котором установлена опорная рама, платформу корпуса и кожух двигателя шасси. На корпусе предусмотрены места для установки управляемых модулей основного навесного оборудования, определяющего назначение робота (например, для боевого - боевое вооружение и дымовые шашки, для противопожарного - установки пожаротушения и одиночные пожарные стволы, для разведывательного - камера кругового обзора, датчики различного назначения, и т.д.), а также дополнительного навесного оборудования (фары, хотя бы одна видеокамера, устройства световой/звуковой сигнализации и т.п.), которое обусловлено назначением изделия.
Блок управления (БУ), первый выход (выход управления шасси) которого подключен к первому входу блока электрики привода шасси (БЭПШ), выход которого подключен к первому входу модуля привода шасси, а также источник питания, питание от которого проступает на второй вход модуля привода шасси и БЭПШ.
Второй выход (выход управления работой дополнительного генератора) БУ подключен к входу дополнительного генератора, дополнительный вход которого предусмотрен для возможности осуществления его ручного запуска, а выход подключен к первому входу Блока силовой электрики (БСЭ), к второму входу которого подключен дополнительный источник питания. Третий выход БУ подключен к третьему входу БСЭ. Обеспечена возможность подзарядки источника питания и дополнительного источника питания соответственно от работающих двигателя (в модуле привода шасси) и дополнительного генератора (через БСЭ).
К Первому порту ввода/вывода БУ подключено устройство приемопередающие (УПП) для проводного либо беспроводного обмена информацией (прием команд управления передвижением мобильного робота, основным и дополнительным навесным оборудованием и т.п., передача данных об исполнении команд) с пультом управления.
К второму порту ввода/вывода БУ подключен порт ввода/вывода единицы основного навесного оборудования (например, боевого модуля для патрульного исполнения). К третьему порту ввода/вывода БУ подключен порт ввода/вывода видеокамеры (единицы дополнительного навесного оборудования). Кроме того к дополнительным входам, выходам, портам входа/выхода БУ могут быть подключены другие единицы основного и дополнительного навесного оборудования.
В БСЭ первый выход, второй выход, третий выход, четвертый выход подключены соответственно к входам питания блока подключения внешних потребителей, дополнительного источника питания, блока управления, единицы основного навесного оборудования. Питание на видеокамеры и УПП поступает соответственно через П3 и П1 БУ.
Предпочтительно, чтобы в качестве УПП был использован антенный модуль (например, хотя бы одна одиночная антенна, комплект антенн, антенно-фидерное устройство т.п.) для приема/передачи данных посредством беспроводной связи (например, аналоговой или цифровой связи).
Предпочтительно, чтобы в БУ был предусмотрен хотя бы один дополнительный вход, выход либо порт ввода/вывода для подключения дополнительных единиц навесного оборудования в зависимости от назначения робота, питание на которые поступает через хотя бы один соответствующий дополнительный выход БСЭ. Например, для боевого робота возможна установка фар, дымовых шашек, тепловизора, дальномера, баллистического вычислителя, видеокамеры (питание поступает от БСЭ через блок управления) и т.д.
Далее состав и работа предлагаемого робота будут описаны в одном из предпочтительных вариантов исполнения боевого дистанционно управляемого гусеничного мобильного робота.
На фиг. 1 - один из предпочтительных вариантов конструкции мобильного робота.
На фиг. 2 - структурная схема мобильного робота в предпочтительном варианте исполнения.
Мобильный робот (фиг. 1) включает гусеничное шасси 1 и корпус из основания 2, в котором установлена опорная рама 3, платформы корпуса 4 и кожуха двигателя шасси 5. На корпусе установлены основное навесное оборудование, определяющее назначение робота, дополнительное навесное оборудование, устройство приемопередающее. Основное оборудование: боевой модуль 6 и размещенные в специальном корпусе тепловизор 7, дальномер 8, баллистический вычислитель 9, установленные в данном исполнении на гиростабилизированной поворотной платформе 10, и хотя бы четыре дымовые шашки 11 (по две на передней и задней части корпуса). Дополнительное навесное оборудование: на платформе 4 приборы наблюдения - видеокамеры переднего 12 и заднего хода 13, приборы освещения и сигнализации - танковые фары 14. В корпусе размещены элементы функциональной схемы для управления шасси и навесным оборудованием: модуль привода шасси 15 (ПШ) с двигателем и блоками управления шасси и двигателем, источник питания 16 (ИП), блок электрики привода шасси 17 (БЭПШ), блок управления 18 (БУ), независимый генератор электрического тока 19 (генератор), блок силовой электрики 20 (БСЭ), хотя бы один дополнительный источник питания 21 (ДопИП), блок подключения внешних потребителей 22 (ВнПотр), а так же устройство приемопередающее (УПП), в данном исполнении обеспечивающее беспроводное соединение БУ 18 с пультом управления и представляющее собой антенный модуль - комплект из антенн 25, 26, 27, 28, 29 - видеосигнальной антенны, двух антенн управления ходом, большой и малой (резервной при большом объеме информации, например, для управления несколькими единицами основного навесного оборудования) командных антенн управления навесным оборудованием. В других исполнениях в качестве устройства приемопередающего может быть использовано приемопередающее антенно-фидерное устройство (АФУ). Дополнительно, а также в качестве резервного управления на корпусе имеется разъем (не показан) для проводного подключения (кабелем, выполняющим роль УПП) БУ к пульту управления. На корпусе предусмотрены и оборудованы места для установки навесного оборудования, антенн. В корпусе имеется множество технологических отверстий различного назначения и конфигурации. В том числе:
отверстия для выхлопной трубы двигателя модуля привода шасси 30, расположенное в кожухе двигателя 5, и выхлопной трубы дополнительного генератора 31 - в платформе 4;
люки на платформе 4, закрытые крышками 32 (съемными или откидными) для доступа к внутреннему объему корпуса при использовании, обслуживании и ремонте устройств и блоков в корпусе;
охлаждающие отверстия на кожухе двигателя 5 и платформе 4, защищенные соответственно радиаторными решетками 33, кожухами охлаждающих отверстий 34;
отверстия для установки и/или подключения основного и дополнительного навесного оборудования;
отверстия для установки и/или подключения устройства приемопередающего. В случае подключения к пульту управления посредством кабеля в корпусе необходимо хотя бы одно отверстие.
Элементы корпуса защищен бронированным кожухом 35.
В качестве боевого модуля могут быть использованы, как отдельные единицы боевого вооружения (например, танковый пулемет Калашникова, 30-мм станковые автоматические гранатометы (АГ-17А, АГ-30), станковый пулемет (Корд», «Утес»)), так и боевые модули с собственной системой управления, подключенной к Блоку управления (например, боевой модуль «Адунок» со сменными единицами вооружения и собственными видеокамерой, тепловизором, дальномером, баллистическим вычислителем). Для установки различных видов управляемого вооружения предусмотрены соответствующие сменные ложементы.
На шасси, включающем левую и правую гусеницы (на фиг. 1 позиции условно не показаны), устанавливают герметичное основание коробчатого корпуса. Крепление основания может быть осуществлено различными известными способами, удовлетворяющими требованиям к роботу данного назначения. Герметичность основания обеспечивается герметизацией соединений с рамой шасси и опорной рамой. В основании устанавливают опорную раму из продольных и поперечных несущих, закрепляют перегородки, формирующие отсеки корпуса для установки элементов схемы робота.
В заднем отсеке основания, закрываемом кожухом двигателя, устанавливают двигатель модуля привода 15, и ИП 16, в отсеках вдоль бортов шасси и переднем отсеке - блоки управления шасси и двигателем (в том числе блоки приводов тормозов правого и левого борта шасси, блок приводов переключения коробки передач, блок привода стояночного тормоза, блоки предохранителей, и т.п.), а также БЭПШ 17, предохранительные устройства блоков (позиции условно не показаны).
В отсеках средней части основания устанавливают БУ 18, независимый генератор электрического тока 19 (например, бензогенератор HONDA мощностью 5,5 Вт) с блоком ручного запуска генератора (кик стартер), БСЭ 20, два ДопИП 21 (аккумуляторные батареи), подключаемые параллельно к БСЭ, ВнПотр 22, элементы модуля привода - привод акселератора ходового двигателя, генератор модуля привода шасси, бензобак, бензонасос, бензиновый фильтр и т.д.
Собирают модуль привода. Соединяют между собой установленные в корпусе элементы структурной схемы (фиг. 2). Подводят соединители к местам установки навесного оборудования.
Устанавливают прилегающую к опорной раме платформу 4 с люками над БУ, ДопИП, генератором 19, БЭПШ, ВнПотр, бензобаком и т.д., и заборными и отводными отверстиями над отсеками генератора 19 и БСЭ для их охлаждения, закрепляя ее на раме и/или отбортовке основания, что позволяет увеличить прочность и устойчивость корпуса к нагрузкам. Устанавливают кожух 5 для доступа к двигателю с боковыми радиаторными решетками 33 и отбортовкой по верхнему краю для защиты моторного отсека от осадков, закрепляя его разъемными соединениями (замками-защелками) на платформе или раме и основании.
Люки закрывают съемными герметичными крышками, устанавливают кожухи 34, выхлопную трубу генератора тока 31, в центральной части на опорной раме - поворотную платформу 10. Устанавливают и подключают основное и дополнительное навесное оборудование, антенны приемопередающего устройства (большую командную антенну закрепляют в специальном отверстии в кожухе 5, остальные антенны крепят к кожуху хомутами). Возможна так же установка и подключение к БУ дополнительных единиц вооружения.
Корпус закрывают бронированным кожухом 35. Боковая часть кожуха защищает боковую поверхность по пятому классу и состоит из быстросъемных бронированных листов, верхняя часть защищает верхнюю поверхность по третьему классу и состоит из быстросъемных пластин бронеткани с вырезами, закрепленных на корпусе быстросъемными лентами для доступа к люкам.
Детали корпуса могут быть изготовлены из одинаковых либо различных материалов (металлов (например, алюминия), их сплавов, полимеров), отвечающих условиям эксплуатации робота.
Структурная схема мобильного робота (фиг. 2) содержит БУ 18 (программируемое устройство), первый выход (Вых1) которого подключен к первому входу (Bx1) БЭПШ 17, выход (Вых) которого подключен к первому входу (Bx1) модуля привода шасси 15, а также ИП 16 (аккумуляторная батарея), питание от которого проступает на второй вход (Вх2) модуля привода шасси и БЭПШ.
Второй выход (Вых2) БУ 18 подключен к входу (Вх) генератора 19 (бензогенератор в данном исполнении), к дополнительному входу (ДопВх) которого (не показан) подключен кик стартер для ручного запуска генератора, а выход (Вых) подключен к первому входу (Bx1) БСЭ 20, к второму входу (Вх2) которого подключен ДопИП 21. Третий выход (Вых3) БУ подключен к третьему входу (Вх3) БСЭ. Обеспечена возможность подзарядки ИП и ДопИП через их входы питания от работающих двигателя (в модуле привода шасси) и генератора 19 (через БСЭ) соответственно.
К первому Порту ввода/вывода (П1) БУ подключено УПП из приемных и/или передающих антенн 25, 26, 27, 28, 29 для беспроводного обмена данными (прием команд управления передвижением мобильного робота, навесным оборудованием и т.п., передача данных о выполнении команд) посредством радиосвязи с пультом управления (ПУ).
К второму порту ввода/вывода (П2) БУ подключен порт ввода/вывода (П) боевого модуля 6, к третьему порту ввода/вывода (П3) БУ подключен порт ввода/вывода видеокамеры 12. Кроме того к дополнительным входам (портам входа/выхода) подключены тепловизор 7, дальномер 8, баллистический вычислитель 9, дымовые шашки 11, фары 14, видеокамера 13, (на фиг. 2 не показаны). Установленный комплект навесного оборудования мобильного робота определяет ударно-разведывательное назначение комплекса.
В БСЭ первый выход (Вых1), второй выход (Вых2), третий выход (Вых3), четвертый выход (Вых4) подключены соответственно к входам питания (Вхп) ВнПотр 22, ДопИП 21, БУ 18, боевого модуля 6. Питание видеокамеры 12 и 13 (не показана) поступает от БУ, а на входы питания тепловизора, дальномера, баллистического вычислителя, фар, дымовых шашек - от БСЭ через его дополнительные выходы (не показаны). Питание на антенны УПП поступает от БУ вместе с передающим сигналом. БСЭ выполняет функции преобразователя тока для подачи необходимого напряжения питания (от 5 до 220 В) к каждому из подключенных к нему устройств от работающего генератора 19, а при выключенном генераторе 19 - от ДопИП.
Таким образом, подача необходимого напряжения питания к каждому из устройств навесного оборудования, а также к БУ, видеокамерам и ВнПотр обеспечивается за счет независимой системы питания из генератора 19, ДопИП 21, БСЭ 20.
Схема работает следующим образом.
Питание от ДопИП через БСЭ поступает на включенный БУ, поддерживающий связь с пультом управления через УПП.
Способы управления движением мобильного робота по радиоканалу широко известны, не являются предметом настоящей заявки, поэтому не описываются. При заряженном ИП питание поступает на БЭПШ и ПШ. При поступлении от ПУ через УПП команд управления ходом шасси (запуск/выключение двигателя от генератора ПШ, начало/конец движения, ускорение, торможение, повороты) БУ распознает их, преобразует для передачи на соответствующие устройства ПШ через БЭПШ (работает от ИП). БЭПШ, принцип действия которого основан на работе его релейной схемы, поддерживает работу двигателя, а также является исполнительным элементом команд, передаваемых от БУ к двигателю, к элементам привода двигателя, элементам ПШ. При движении робота производится подзарядка основного ИП 16 от генератора ПШ.
При поступлении от ПУ команды запуска генератора 19 БУ подает сигнал включения на его Bx1. Запуск генератора 19 может также осуществляться вручную через Вх2. При работающем генераторе 19 производится подзарядка ДопИп 21. Поступающее напряжение питания от работающего генератора, а при выключенном генераторе 19 - от заряженного ДопИп, БСЭ преобразует в необходимое напряжение для питания БУ, ВнПотр (220 В), всех подключенных к БСЭ единиц навесного оборудования, подзарядки ДопИп. При поступлении от БУ команд включения/выключения БСЭ подает преобразованное напряжение на соответствующий выход.
При поступлении от ПУ через П1 команд управления (в том числе команд включении/выключения) навесным оборудованием БУ преобразует их в соответствующие сигналы управления, посредством которых производит:
- через Вых3 БУ - управление включением/выключением каждой парой фар, каждой из дымовых шашек, боевого модуля, ВнПотр (может также включаться потребителем вручную при снятии над ним крышки люка) поступает на вх3 БСЭ, далее - на соответствующий выход;
- через П3 и дополнительный порт ввода/вывода - управление включением/выключением видеокамер 12 и 13. Данные с видеокамер поступают на БУ, преобразуются и передаются на ПУ через видеосигнальную антенну УПП;
- через П2 - приведение в действие боевого модуля (наведение на цель с помощью данных от тепловизора, дальномера, баллистического вычислителя, поражение цели и т.п.). Гиростабилизированная платформа дает возможность точного поражения цели на ходу (может быть подключена к дополнительному порту ввода/вывода БУ либо боевому модулю). Данные о работе боевого модуля поступают на БУ, преобразуются и передаются на ПУ через УПП. Тепловизор, дальномер, баллистический вычислитель могут управляться БУ (как в данном исполнении) или входить в состав боевого модуля, когда собственный блок управления боевого модуля ведет корректировку работы устройства вооружения, используя их данные.
Результаты работы (пакеты данных) гусеничного шасси, боевого модуля, изображения с навесных видеокамер и других единиц основного и дополнительного навесного оборудования преобразуют в сигнал передачи и передают на ПУ через антенны УПП.
В других исполнениях назначение мобильного робота может быть иным. Для пожарного робота в качестве основного навесного оборудования устанавливают, например, управляемую установку поворотную УП-9-МПП(Н)-24-И-ГЭ-У2 и закрепленные в рамах на передней части корпуса одиночные управляемые модули порошкового типа МПП(Н)-24-И-Г Э-У2 (г. Бийск) и т.п. В качестве дополнительного оборудования устанавливают световую и/или звуковую сигнализацию на выступе корпуса. Кроме того, возможна установка ручных огнетушителей и других подручных средств, закрепленных, например, хомутами, скобами и т.п.
В том числе верхняя поверхность корпуса может быть плоской, без выступов за счет увеличения глубины основания или выполнения платформы коробчатой.
Поворотная платформа для основного навесного оборудования может быть не гиростабилизированной, например, для пожарного робота.
В качестве приборов наблюдения в разных вариантах исполнения могут быть установлены, например, камера кругового обзора, датчики различного типа и т.п.
Для робота разведки упомянутые камера и датчики могут быть использованы в качестве основного навесного оборудования.
Видеосигнальная антенна может быть настроена и на приемо-передачу звукового сигнала, например, при установке на роботе микрофонов и громкоговорителя.
Таким образом, несмотря на то, что техническое решение робота показано и описано со ссылкой на его конкретный вариант осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема полезной модели, определенных прилагаемой формулой полезной модели.
Предлагаемое техническое решение мобильного робота способно обеспечить продолжительность работы изделия (в том числе установленного энергоемкого основного и дополнительного навесного оборудования, а также нескольких его видов) без дозарядки и дозаправки в течении длительного времени - до трех-пяти суток, при запасе хода до 250-300 км.