Мобильный робот

Полезная модель относится к робототехнике, а также к тем отраслям деятельности человека, в которых с целью исключения присутствия человека в опасных для его здоровья или жизни средах необходимо применение дистанционно управляемых многофункциональных робототехнических устройств. Поэтому весьма актуальным становится решение вопросов, связанных с повышением проходимости роботов.
Известен мобильный робот, содержащий корпус, установленные на нем с возможностью поворота относительно вертикальных осей движители, каждый из которых выполнен в виде закрепленного на горизонтальной оси с возможностью поворота приводом вокруг нее рычага, на котором на осях последовательно размещены два приводных колеса. Приводные колеса выполнены сдвоенными, рычаг размещен между колесами каждого сдвоенного колеса, движитель снабжен расположенными по одной с разных сторон сдвоенных колес и параллельно установленными между собой с образованием вместе с колесом параллелограммного механизма двумя штангами, шарнирно закрепленными на каждом из колес, при этом концы штанг расположены за габаритом колес (RU 2026227 [1]). Изобретение позволяет повысить проходимость мобильному роботу за счет добавления определенным образом установленных штанг, выступающих за габариты движителей, придавая тем самым роботу возможность использовать в необходимых случаях метод ходьбы. Установка на концах штанг зацепов позволяет (автоматически) роботу использовать новый метод - цепляние за небольшие по размерам уступы и подтягивание к ним. При выполнении колес одинакового диаметра и установке штанг по касательной к ободам колес робот может использоваться для ходьбы по рыхлым и вязким грунтам, где необходимо низкое удельное давление на грунт, например, в болотистой местности. Недостатком устройства является сложность конструкции и управления движением.
Известна мобильная платформа, предназначенная для использования в робототехнике (RU 2307760 [2]). Мобильная платформа содержит два независимо управляемых колеса, опорные самоориентирующиеся колеса и дополнительно выдвижные на продольных рычагах планетарно-колесные механизмы, причем рычаги одни из них кинематически связаны с опорными самоориентирующимися колесами. При движении по ровным горизонтальным поверхностям в мобильной платформе планетарно-колесные механизмы задвинуты в корпус, при этом вследствие кинематической связи поворотных продольных рычагов с поворотными продольными рычагами самоориентирующиеся колеса выдвинуты.
Поворот или разворот обеспечивается независимым управлением приводами. При необходимости преодоления препятствий, например лестничного марша, в мобильной платформе выдвигаются планетарно-колесные механизмы, причем вследствие кинематической связи самоориентирующиеся колеса задвигаются в корпус. При этом переключаются управляемые муфты и вращение от приводов передается планетарно-колесным механизмам.
Кинематическая связь посредством ременных зубчатых передач обеспечивает режим вращения роликов при отсутствии на своем пути препятствий и режим вращения ступиц при встрече роликов на своем пути, например ступеньки лестничного марша. Такое комбинирование вращения роликов и ступицы планетарно-колесного механизма обеспечивает мобильной платформе преодоление препятствий. Недостатком устройства является сложность конструкции и управления движением.
Известен мобильный робот, снабженный трансформируемым движителем (CN 105564148 [3]), который представляет собой состоящее из нескольких дуг колесо с беговой дорожкой в виде ленты, охватывающей эти дуги и размещенной внутри колеса системой рычагов и зубчатых колес. При изменении дорожной ситуации колесный движитель за счет перемещения рычагов внутри колеса трансформируется в гусеничный, охватывающая колесо лента становится гусеницей, приводимой в движение зубчатыми колесами. Недостатком устройства является сложность конструкции и управления движением.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является мобильный робот, снабженный трансформируемыми колесами, известный из описания к KR 20120053236 [4]. Робот представляет собой шасси с четырьмя колесами и привод, обеспечивающий вращение колес и их трансформацию. При этом каждое колесо выполнено в виде сплошного обода, к которому крепится приспособление, обеспечивающее его трансформацию в шагающий движитель. Приспособление представляет собой диск с выдвижными дугообразными элементами, которые в исходном положении образуют сплошной обод, а после выдвижения фиксируются, в результате чего диск превращается в крыльчатку.
Недостатком устройства является сложность управления как движением, так и конструкции, обеспечивающей передачу момента на колеса и их трансформацию.
Заявляемый мобильный робот направлен на упрощение конструкции и управления движением.
Указанный результат достигается тем, что мобильный робот содержит шасси колеса, снабженные закрепляемыми на них дисками с выдвижными дугообразными элементами, которые в исходном положении образуют сплошной обод, привод колес, механизм выдвижения дугообразных элементов, блок управления движением и блок управления механизмом выдвижения дугообразных элементов. При этом привод каждого из колес выполнен в виде встроенного в него тягового электродвигателя, а механизм выдвижения дугообразных элементов - в виде двух закрепленных на каждом из дугообразных элементов на расстоянии друг от друга стержней, второй конец одного из которых соединен с диском, а второй конец другого жестко соединен с осью установленного на диске вращающегося элемента, при этом все вращающиеся элементы соединены кинематической связью, а один из них снабжен приводом его вращения, при этом каждый из дугообразных элементов снабжен закрепленными на них датчиками прогиба, соединенными с блоком управления механизмом выдвижения дугообразных элементов.
Указанный результат достигается также тем, что датчики прогиба выполнены в виде наклеиваемых на дугообразные элементы тензометрических сопротивлений, выходы которых соединены с блоком управления механизмом выдвижения дугообразных элементов.
Указанный результат достигается также тем, что каждый привод колеса снабжен датчиком тока для измерения внешней нагрузки на колеса, при этом выходы датчиков соединены с блоком управления движением.
Указанный результат достигается также тем, что каждый привод колеса снабжен датчиком момента на валу колеса, выполненным в виде наклеиваемых на вал тензометрических сопротивлений, выходы которых соединены с блоком управления движением.
Указанный результат достигается также тем, что вращающиеся элементы на диске выполнены в виде фрикционных дисков, а соединяющая их кинематическая связь в виде ремня.
Указанный результат достигается также тем, что вращающиеся элементы на диске выполнены в виде шестерен, а соединяющая их кинематическая связь в виде цепи.
Указанный результат достигается также тем, что привод вращения вращающегося элемента на диске выполнен в виде электродвигателя, подключаемого к бортовой электросети робота и управляемого блоком управления механизмом выдвижения дугообразных элементов.
Отличительными признаками заявляемого мобильного робота являются:
- выполнение привода каждого из колес в виде встроенного в колесо тягового электродвигателя (мотор-колесо);
- снабжение каждого из дугообразных элементов двумя закрепленными на нем на расстоянии друг от друга стержнями, второй конец одного из которых соединен с диском, а второй конец другого жестко с осью установленного на диске вращающегося элемента;
- каждый из дугообразных элементов снабжен закрепленными на них датчиками прогиба, соединенными с блоком управления механизмом выдвижения дугообразных элементов;
- все вращающиеся элементы соединены кинематической связью, а один из них снабжен приводом его вращения;
- вращающиеся элементы выполнены в виде фрикционных дисков, а соединяющая их кинематическая связь в виде ремня;
- вращающиеся элементы выполнены в виде шестерен, а соединяющая их кинематическая связь в виде цепи;
- привод вращения вращающегося элемента выполнен в виде электродвигателя, подключаемого к бортовой электросети мобильного робота;
- датчики прогиба выполнены в виде наклеиваемых на дугообразные элементы тензометрических сопротивлений, выходы которых соединены с блоком управления механизмом выдвижения дугообразных элементов;
- каждый привод колеса снабжен датчиком тока для измерения внешней нагрузки на колеса, при этом выходы датчиков соединены с блоком управления движением;
- каждый привод колеса снабжен датчиком момента на валу колеса, выполненным в виде наклеиваемых на вал тензометрических сопротивлений, выходы которых соединены с блоком управления движением.
Выполнение привода каждого из колес в виде встроенного в него тягового электродвигателя позволяет упростить конструкцию мобильного робота и управление движением, поскольку интегрирование тягового электродвигателя в конструкцию колеса позволяет использовать методы взаимозаменяемости и унификации движителей для различных мобильных платформ. Это также позволяет исключить тяговый двигатель из конструкции платформы робота, равномерно распределив при этом массы конструкционных элементов по всему объему конструкции, что приведет к более устойчивому движению по пересеченной местности.
Снабжение каждого из дугообразных элементов двумя закрепленными на нем на расстоянии друг от друга стержнями, второй конец одного из которых соединен с диском, а второй конец другого жестко с осью установленного на диске вращающегося элемента позволяет существенно упростить конструкцию устройства. Действительно, достаточно повернуть вращающийся элемент, как его поворот обеспечит выдвижение дугообразного элемента. При этом просто решается и проблема при смене направления движения мобильного робота. Если мобильный робот начинает движение в обратную сторону, то для повышения его проходимости достаточно повернуть вращающийся элемент в другую сторону. А проблема его поворота с изменением направления вращения легко решается за счет использования электродвигателя, подключаемого к бортовой электросети мобильного робота, которая вырабатывает ток и легко обеспечивает реверс двигателя. Снабжение каждого из дугообразных элементов закрепленными на них датчиками прогиба, соединенными с блоком управления механизмом выдвижения дугообразных элементов, позволяет измерить характеристики изгиба в контактной зоне для определения параметров грунта и учесть их для формирования команд управления движением.
Установка на каждый привод колеса датчика тока для измерения внешней нагрузки на колеса позволяет косвенным образом выявить силомоментную нагрузку на вал колеса и определить моменты проскальзывания и увязания в грунте для принятия мер по преодолению этих ситуаций при движении.
Снабжение каждого привода колеса датчиком момента на валу колеса, выполненным в виде наклеиваемых на вал тензометрических сопротивлений, выходы которых соединены с блоком управления движением, необходимо для обеспечения дополнительного информационного канала, позволяющего дублировать информацию о силомоментной нагрузке на вал каждого колеса, что необходимо для снижения влияния ошибочных или искаженных данных о силомоментной нагрузке на формирование управления при движении робота в недетерминированной среде.
Соединение всех вращающихся элементов кинематической связью позволяет одновременно и за счет всего одного привода (электродвигателя) обеспечить выдвижение всех дугообразных элементов в одну или другую сторону. В частных случаях реализации, в зависимости от задач, решаемых транспортным средством, вращающиеся элементы могут быть выполнены в виде фрикционных дисков, а соединяющая их кинематическая связь - в виде ремня, или же вращающиеся элементы выполнены в виде шестерен, а соединяющая их кинематическая связь - в виде цепи. Более дешевым и простым представляется вариант с использованием фрикционных элементов, а более надежным - в виде шестерен и цепи.
Сущность заявляемого мобильного робота поясняется примером его реализации и чертежами, на которых схематично представлена принципиальная схема устройства и работа механизма выдвижения дугообразных элементов в различных фазах его использования.
На фиг. 1 представлен общий вид мобильного робота. На фиг. 2 схематично представлена электрическая блок-схема устройства. На фиг. 3 показан механизм выдвижения дугообразных элементов в исходном состоянии. На фиг. 4 и 5 показан механизм выдвижения дугообразных элементов в момент использования в зависимости от вращения колеса и направления движения мобильного робота.
Мобильный робот содержит колеса 1, закрепленные на корпусе 2, на котором установлен блок управления 3, получающий информацию от датчиков изгиба 4, датчиков момента 5, датчиков тока 6. Управляющие сигналы, сформированные блоком управления 3, поступают на тяговый двигатель 7 и двигатель 8, приводящий в движение механизм выдвижения дугообразных элементов. На колесах закреплены приспособления для увеличения силы сцепления с грунтом, которые содержат диск 9 и соединенные с ним выдвигаемые дугообразные элементы 10. Каждый дугообразный элемент снабжен двумя закрепленными на нем на расстоянии друг от друга стержнями 11 и 12. Второй конец одного стержня 11 соединен с диском 9, а второй конец другого стержня 12 с плоскостью установленного на диске вращающегося элемента 13. Все вращающиеся элементы 13 соединены кинематической связью 14, а один из них снабжен двигателем его поворота (на чертеже не показан). Помимо блока управления на шасси может быть установлена любая полезная нагрузка - видеокамеры, манипуляторы, сварочные аппараты, дефектоскопы и т.д.
Мобильный робот функционирует следующим образом. По команде от блока управления 3 включаются тяговые двигатели 7 колес 1 и робот начинает движение.
Датчики изгиба 4, расположенные на дугообразных элементах 10, образуют сенсорную систему, известным образом передающую информацию об изменении текущей формы дугообразных элементов под действием сил, приложенных к ним, в блок управления. Анализ данных, полученных блоком управления 3, позволяет по известной жесткости, форме дугообразных элементов 10, силам, приложенным к ним, определить качественные характеристики грунта для формирования управляющего сигнала для приводной системы. Датчики момента 5, расположенные на оси вращения колеса 1, позволяют определить крутящий момент, приложенный к этому колесу. Результат суммы момента сопротивления, момента, развиваемого тяговым двигателем 7, и учет скорости вращения колеса позволяет определить ситуации пробуксовки или увязания в грунте.
Когда блок управления 3 получает информацию о пробуксовке колеса 1, выдается управляющий сигнал на поворот вращающегося элемента 13 вокруг оси, закрепленной на диске 9. Посредством кинематической передачи 14 вращение также передается на остальные вращающиеся элементы. Стержень 12, неподвижно связанный с вращающимся элементом 13, начинает движение. Не жестко связанный со стержнем 12 дугообразный элемент 10 также начинает движение. Стержень 11, не жестко связанный с диском 9 и дугообразным элементом 10, обеспечивает его выдвижение. Направление вращения элемента 13 влияет на сторону выдвижения дугообразных элементов (фиг. 4, 5).
Датчик тока 6, расположенный в электрической цепи питания тягового двигателя 7, позволяет дублировать полученную информацию о развиваемом моменте на валу колеса 1, тем самым предоставляя возможность получения усредненного значения, снижая при этом влияние погрешностей измерения на формирование управления.