РОБОТИЗИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО
ROBOT DEVICE

Изобретение относится к робототехники, в частности к роботам-собакам, предназначенным для выполнения различных индустриальных задач, работ с людьми, выполнения работ в различных средах, в том числе опасных, а также для поиска и спасения.
Из уровня техники известен четырехногий робот на основе бионической конструкции, состоящий из каркаса корпуса, четырех ног, датчика силы на подошве, каждая нога реализует две степени свободы (см. патент CN 102211627 на изобретение, опубл. 12.10.2011).
Недостатками известного робота являются:
- низкая управляемость и маневренность (всего две степени свободы ноги);
- неустойчивость при боковых ударах и нагрузках;
- низкая скорость перемещения;
- невозможность фиксации, определения и распознавания препятствий;
- невозможность уклонения от столкновений с препятствиями, следования за объектом и поиска объектов;
- ограниченные функциональные возможности.
Из уровня техники известен робот с гидравлическим приводом с регулировкой центра масс, устройство регулировки центра масс находится в движущемся механизме, расположенном на двух ортогональных осях робота, продольной и поперечной, для регулировки распределения массы о роботе (см. патент CN 101811525 на изобретение, опубл. 23.05.2012).
Такого рода устройство регулировки центра масс может только способствовать устойчивости баланса робота в статических условиях, и трудно обеспечить баланс робота при динамической нестабильности.
У известного робота низкая управляемость, маневренность, скорость перемещения, а также ограниченные функциональные возможности, в частности:
- невозможность фиксации, определения и распознавания препятствий;
- невозможность уклонения от столкновений с препятствиями, следования за объектом и поиска объектов;
- отсутствует возможность навигации и позиционирования.
Из уровня техники известно роботизированное устройство, включающее тело, ноги, ступни, датчики и процессор (см. патент US 10226870 на изобретение, опубл. 12.03.2019).
Недостатками известного робота являются:
- ограниченные функциональные возможности, в частности, невозможность фиксации, определения и распознавания препятствий, невозможность следования за объектом и поиска объектов;
- неустойчивость при боковых ударах и нагрузках как в статическом, так и в динамическом режимах;
Также у известного робота отсутствует возможность точной навигации и позиционирования в различных средах, как на открытой местности, так и внутри зданий и помещений.
Целью заявленного изобретения является создание мобильного роботизированного устройства для выполнения различных индустриальных задач, работы с людьми, а также для поиска и спасения, обладающего повышенной маневренностью, управляемостью, устойчивостью и скоростью передвижения в различных средах, в частости опасных, как внутри зданий и помещений, так и в крупнозаселенных городах и на открытой местности
Техническими результатами заявленного изобретения являются:
- повышение маневренности, эффективности передвижения и проходимости в сложной местности (может адаптироваться к различным ландшафтам, таким как лед, снег, трава и т.д.);
- повышение управляемости;
- повышение информативности;
- повышение точности навигации и позиционирования в различных средах;
- удобство в управлении;
- повышение скорости передвижения;
- повышение устойчивости (балансировки) к препятствиям, боковым помехам и ударам;
- возможность оперативной передачи информации и данных в режиме реального времени по запросу пользователю.
Технические результаты заявленного изобретения достигаются тем, что роботизированное устройство включает:
- корпус-туловище;
- головную часть с передней части корпуса;
- четыре ноги со ступнями, закрепляемые симметрично к нижней части корпуса, при этом каждая нога содержит в области бедра шагающий управляемый привод для обеспечения горизонтального прямолинейного перемещения ноги вдоль поверхности (по оси X) и вертикального перемещения (сгибания) ноги по высоте (по оси Z);
- хвост - балансир с встроенной приемопередающей антенной, закрепленный к задней части корпуса, по центру, и приводимый в движение управляемым приводом, для обеспечения устойчивости при скоростном движении робота;
- систему для визуализации, фиксации, распознавания препятствий и объектов, состоящую из 3D камер и датчиков, вмонтированную в головную часть робота;
- дополнительные управляемые приводы с боковых противоположных передней и задней частях корпуса, в области соединения бедра ноги с корпусом, для обеспечения наклона корпуса в противоположные стороны, параллельно поверхности (по оси Y) и дополнительной стабилизации корпуса путем поддержания уровня горизонта корпуса при боковых нагрузках (ходьба по наклонной или пересеченной местности, удары в бок);
- блок управления на базе процессора с блоком памяти, выполненный с возможностью:
а) приема и обработки данных и информации, поступающих с датчиков и 3D камер для обнаружения, распознавания и идентификации препятствий и объектов;
б) определения инерции отклонений корпуса, требуемых углов наклона корпуса, ног и хвоста, требуемых ускорения, замедления, скорости и шага передвижения на основе обработанных данных и информации, для уклонения от столкновений с препятствиями и объектами, следования за объектом и поиска объектов и препятствий;
в) передачи управляющих сигналов на приводы для обеспечения требуемых изменений углов наклона, ускорения, замедления, скорости и шага передвижения, при этом управляющие сигналы могут передаваться на приводы независимо для каждой ноги;
г) записи всей информации и данных с датчиков и 3D камер в блок памяти;
д) обнаружения, распознавания и идентификации препятствий и объектов на основе сравнения с заранее определенными, заданными и/или хранящимися в блоке памяти;
е) выдачи всей информации и данных по запросу пользователю в режиме реального времени для отслеживания объектов и препятствий в режиме реального времени.
В вариантах выполнения устройства, в качестве датчиков используют, например, гироскоп, акселерометр, барометр, ИК датчик и/или УЗ датчик.
В вариантах выполения, устройство имеет встроенный в корпус и/или в головную часть модуль GPS/Глонасс, модуль Wi-Fi и/или Bluetooth и/или считывающее устройство для считывания информации, например, с RFID или знаков.
В предпочтительном варианте выполднения, питание устройства производится от аккумулятора, а управление устройством производится дистанционно, система приводов обеспечивает три степени свободы: наклоны и передвижения корпуса по крену, тангажу и рысканию.
Заявленное изобретение поясняется в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами (см. фигуры 1 и 2), где показано следующее.
На фиг. 1 - роботизированное устройство в виде робота-собаки (вид спереди).
На фиг. 2 - роботизированное устройство в виде робота-собаки (вид сверху).
На фигурах 1 и 2 обозначено следующее:
1 - шагающие приводы для обеспечения прямолинейного горизонтального движения робота вдоль поверхности;
2 - дополнительные приводы, закрепленные в области соединения бедра ноги к корпусу (с передней и задней стороны корпуса) для стабилизации тела робота путем поддержания уровня горизонта тела;
3 - система для визуализации, фиксации и распознавания препятствий и объектов, вмонтированная в головную часть робота и состоящая из 3D камер и датчиков;
4 - блок управления на базе процессора с блоком памяти, устанавливаемый в центральную часть, внутрь корпуса робота;
5 - привод балансира-хвоста;
6 - балансир-хвост, соединенный через привод к центральной задней части корпуса робота;
7 - приемопередающая антенна, вмонтированная в балансир-хвост;
8 - ноги со ступнями;
9 - нивелирование корпуса (рыскание, по иси Y, параллельно поверхности);
10 - отклонение балансира-хвоста в противоположные стороны относительно корпуса, по оси Y;
11 - головная часть;
12 - корпус робота;
13 - прямолинейное горизонтальное направление движения робота;
14 - область соединения бедра ноги к корпусу;
15 - бедро;
16 - колено;
17 - ступни.
В отличие от известных аналогов, на каждой ноге (8) помимо шагающего привода (1) (см. фиг. 1 и 2) для перемещения ноги по оси X и высоты робота по оси Z, на каждой ноге (8) имеются дополнительные приводы (2) для наклона корпуса (12) робота по оси Y и дополнительной стабилизации при боковых нагрузках (ходьба по наклонной или пересеченной местности, удары в бок).
Для распознавания и ухода от столкновений с препятствиями робот оснащен системой (3) для визуализации, фиксации и распознавания препятствий и объектов, вмонтированной в головную часть (11) робота. Система (3) состоит из 3D камер и датчиков.
При скоростном передвижении робота дополнительную устойчивость обеспечивает балансир-хвост (6), закрепленный к задней части корпуса (туловища) (12) робота и приводимый в движение приводом (5). Также в балансир-хвост (6) встроена антенна (7) для приема/передачи данных.
При движении робота вперед (13) на высоких скоростях (см. фиг 2) нивелирование (9) раскачивания корпуса (12) робота происходит путем отклонения хвоста-балансира (6) в противоположную сторону (10).
Приводы (1) ног (8) обеспечивают прямолинейное горизонтальное движение робота. Приводы (2) помогают стабилизировать корпус (12) робота путем поддержания уровня горизонта корпуса (12).
Расчет работы приводов (1, 2, 5) происходит в процессоре блока управления (4) на основе данных, поступающих с системы (3) для визуализации, фиксации и распознавания препятствий и объектов.
С помощью управляемых процессором приводов (1, 2, 5) робот имеет три степени свободы, имеется возможность: сгибания и отведения бедра (15) каждой ноги (8), сгибание колена (16) каждой ноги (8), перемещения точки опоры ступни (17) той или иной ноги (8) в любую доступную ноге (8) точку пространства с целью обеспечения максимально возможной проходимости, маневренности и скорости передвижения робота, обеспечения устойчивости робота. Три степени свободы позволяют организовать движение робота так, чтобы движения ног (8) и движение корпуса (12) были независимы. Это дает возможность менять положение корпуса (12) в пространстве без перестановки ног (8), а также стабилизировать положение корпуса (12) во время движения.
Блок управления (4) на базе процессора с блоком памяти выполнен с возможностью управления всеми устройствами, входящими в состав робота, в частности:
- приема и обработки данных и информации, поступающих с датчиков и 3D камер для обнаружения, распознавания и идентификации препятствий и объектов;
- определения инерции отклонений корпуса (12), требуемых углов наклона корпуса, ног и хвоста, требуемых ускорения, замедления, скорости и шага передвижения на основе обработанных данных и информации, для уклонения от столкновений с препятствиями и объектами, следования за объектом и поиска объектов и препятствий;
- передачи управляющих сигналов на приводы (1, 2, 5) для обеспечения требуемых изменений углов наклона, ускорения, замедления, скорости и шага передвижения, при этом управляющие сигналы могут передаваться на приводы (1, 2, 5) независимо для каждой ноги (8);
- внесения и записи всей информации и данных с датчиков и 3D камер в блок памяти (запоминающее устройство);
- извлечения всех необходимых данных и информации из блока памяти;
- обнаружения, распознавания и идентификации препятствий и объектов на основе сравнения с заранее определенными, заданными и/или хранящимися в блоке памяти;
- выдачи всей информации и данных по запросу пользователю для отслеживания объектов и препятствий в режиме реального времени.
Все устройства, входящие в состав робота, управляются с помощью блока управления (4) на базе процессора.
Все устройства, в частности датчики, модули, считывающие устройства, камеры и т.п., могут встраиваться в головную часть (11) робота и/или корпус (12) робота.
Вся необходимая информация и данные с датчиков и камер может передаваться по запросу пользователю оперативно в режиме реального времени, например, при помощи приемопередающей антенны (7), встроенной в балансир-хвост (6) робота, по Wi-Fi и/или Bluetooth.
Роботизированным устройством можно напрямую управлять с помощью приложения для мобильного телефона через Bluetooth и/или Wi-Fi.
Повышение эффективности передвижения, маневренности, устойчивости (балансировки) и скорости движения робота в отличие от известных аналогов достигаются за счет использования дополнительного привода (5) хвоста (6) и расширенной системы приводов (1,2).
Удобство и повышение управляемости, точности и непрерывности навигации и позиционирования робота в различных средах может обеспечиваться с использованием различных технологий, например, по сигналам GPS/Глонасс, маякам, псевдолитам, посредством Wi-Fi, Bluetooth, 5G, различных датчиков, меток (RFID), картографирования, объектам, знакам и т.п., как в комплексе, так и раздельно.
Для этого робот может иметь в своем составе, например, 3D камеры, различные датчики (например, гироскопы, акселерометры, магнетометры, барометры, ИК и УЗ датчики), модуль GPS/Глонасс, модуль Wi-Fi и/или Bluetooth, запоминающее устройство (память) для запоминания всех результатов визуализации, распознавания и идентификации, считывающее устройство для считывания информации, например, с меток (RFID) и/или знаков.
Повышение информативности достигается за счет использования 3D камер и различных датчиков.
Заявленное роботизированное устройство предназначено для выполнения различных индустриальных задач, работ с людьми, выполнения работ в различных средах, в том числе опасных, а также для поиска и спасения.
Несмотря на то, что заявленное изобретение показано и описано со ссылкой на его определенные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения по форме и содержанию заявленного изобретения могут быть сделаны в нем без отклонения от сущности и объема изобретения, которые определены прилагаемой формулой изобретения с учетом описания и чертежей.