Мобильное робототехническое устройство

Полезная модель относится к робототехнике, в частности представляет собой мобильный робот или самодвижущуюся транспортную тележку для выполнения большого спектра функций человека, преимущественно внутри помещений, в частности такое устройство может быть задействовано в рекламе, охране или для сбора видеоинформации с передачей в режиме реального времени оператору или в специализированный центр.
Так, известно мобильный робототехническое устройство, содержащее платформу с электроприводом и установленное на ней средство фотовидеофиксации, закрепленное на опорной стойке, зафиксированной на платформе, и устройство управления, платформа установлена на расположенных под платформой четырех колесах, оснащенных для перемещения по опорной поверхности отдельными электроприводами, диаметр всех колес выполнен одинаковым, а так же размещенные и закрепленные на платформе блок автономного питания с аккумуляторной батареей и блок управления движением платформы на базе компьютеризированных средств, а так же блок беспроводной зарядки аккумуляторной батареи (RU 160103, B25J 5/00, опубл. 10.03.2016).
Управление таким робототехническим устройством осуществляется оператором удаленным методом посредством сети интернет, и позволяет проводить фото-видео съемку окружающего пространства, производить, беспроводную зарядку батарей.
Недостаток данного устройства заключается в том, что управление таким роботом довольно сложно из-за того, что оператор должен сам видеть окружающую робот обстановку, чтобы понимать, куда и зачем этому роботу двигаться. Особенностью робота как передвижного устройства является то, что он обеспечивает фотовидеофиксацию внешней обстановки. Подразумевается, что это виды окружения, которые не доступны оператору. Но при этом, чтобы видеть куда робот должен перемещаться, оператор сам должен заранее увидеть окружающую обстановку.
Кроме того, средство фотовидеофиксации смонтировано на достаточно высокой опорной стойке (чем выше стойка, тем больший обзор получается при фиксации окружения). А сама платформа установлена на четырех опорных ведущих колесах, расположенных под платформой. При таком исполнении цент тяжести всей системы располагается не на уровне платформы, а над ней. То есть, такая передвижная платформа обладает слабой устойчивостью к опрокидыванию и может перемещаться только по горизонтальной поверхности и желательно, чтобы на ней не было перепадов высот, подъемов и спусков.
Ко всему прочему, достаточно сложной является система управления четырьмя мотор-колесами.
Поэтому такое мобильное робототехническое устройство имеет ограниченное применение в условиях хорошей видимости для оператора.
Известно мобильное робототехническое устройство, содержащее платформу, установленную на четырех колесах для перемещения по опорной поверхности, два из которых выполнены ведущими и оснащены каждый отдельным электроприводом на базе электродвигателя постоянного тока, а два других колеса выполнены ведомыми рояльного типа с возможностью вращения на 360°, диаметр ведущих колес превышает диаметр ведомых колес, а так же размещенные и закрепленные на платформе блок автономного питания с аккумуляторной батареей, блок управления движением платформы на базе компьютеризированных средств, включающих в себя датчики фиксирования препятствий, средство фотовидеофиксации, размещенное на опорной стойке, закрепленной на платформе, и связанное с блоком беспроводной связи (RU 180974, B25J 5/00, опубл. 02.07.2018).
Это решение принято в качестве прототипа.
За счет выполнения двух колес большого диаметра ведущими существенно повышена ходимость платформы за счет возможности переезда через препятствия. Ведомые колеса самоустанавливающегося типа (рояльного исполнения) обеспечивают устойчивость платформы над опорной поверхностью.
Но при этом не решен вопрос снижения положения центра тяжести. Он расположен выше платформы, что приводит к возможным опрокидываниям платформы при переезде через препятствия. Кроме того, все колеса расположены под платформой и в пределах периметра платформы, то есть высота платформы над опорной поверхностью определяет высоту препятствий, через которые этот робот может переехать. Этого недостаточно, чтобы платформа переехала, например, дверной порожек. Устойчивость известного решения заключается в том. что при наклонах платформа краем начинает упираться в опорную поверхность и это препятствует полному перевороту.
Управление роботизированным устройством осуществляется с помощью смартфона, для чего необходимо наличие прикладной программы. При этом система управления роботизированным устройством может быть выполнена с возможностью дистанционного управления по беспроводной связи (WiFi, Bluetooth) при помощи смартфона и специальной прикладной программы на смартфоне. Это указывает на то, что движение платформы определяется оператором и в пределах видимости окружающей обстановки. Это создает неудобства, так как для работы такого робота необходимо свободное пространство, хорошо обозреваемое. Если запустить такого робота, например, в торговый зал сетевого магазина, то управление роботом станет проблематичным из-за ограниченности видения обстановки оператором.
Применение датчиков фиксирования препятствий позволяет роботу самостоятельно изменять направление движения, но эти датчики не указывают правильное направление движения, а только, как обойти методом угловых смещений появившееся препятствие.
По сути, и аналог и прототип представляют собой перемещающиеся платформы с прямым управлением от оператора, что относит эти устройства, скорее к игрушкам, чем к технологическим рабочим платформам.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении курсовой устойчивости и исключения опрокидывания мобильной платформы, работающей в режиме автономного передвижения без участия оператора.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - общий вид мобильного робототехнического устройства.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция роботизированной (робототехнической) передвижной платформы для автономного сбора данных. Разработка заключается в автономном сборе данных (фотографий стеллажей торговых залов магазинов, складов и т.п.) путем объезда помещений роботизированным комплексом с последующей отправкой данных модулю программы для ЭВМ «СканИУС - система распознавания товаров на полках» по wi-fi каналу.
Особенностью рассматриваемого мобильного робототехнического устройства является то, что он предназначен для самостоятельного передвижения по территории (склад, торговый зал сетевого магазина и т.д.) в соответствии с топологией расположения полок или стеллажей. Передвижение осуществляется по маркировочной линии, проложенной или нарисованной в виде маршрута между полками и стеллажами или вдоль этих полок и стеллажей. Как правило, такая линия выполняется контрастной (черной или белой) по отношению к фону пола - опорной поверхности помещения. По мере перемещения по маршруту платформа проводит фото или видеосъемку полок и стеллажей и по беспроводному каналу связи передает информацию либо непрерывно в режиме текущего времени либо накапливает пакет информации заданного объема и перелает этот пакет через заданные интервалы времени или по наполнению пакета.
В общем случае, мобильное робототехническое устройство содержит платформу, установленную на четырех колесах для перемещения по опорной поверхности, два из которых выполнены ведущими и оснащены каждый отдельным электроприводом на базе электродвигателя постоянного тока, а два других колеса выполнены ведомыми рояльного типа с возможностью вращения на 360°, при этом диаметр ведущих колес превышает диаметр ведомых колес.
На платформе размещены и закреплены блок автономного питания с аккумуляторной батареей, блок управления движением платформы на базе компьютеризированных средств, включающих в себя датчики фиксирования препятствий, средство фотовидеофиксации, размещенное на опорной стойке, закрепленной на платформе, и связанное с блоком беспроводной связи.
Платформа выполнена в виде горизонтально располагаемой пластины, диаметр ведущих колес выполнен больше расстояния от опорной поверхности до платформы и расположены по бокам платформы, электродвигатели постоянного тока закреплены под платформой, ведомые колеса расположены под платформой и на расстоянии друг от друга, меньшем расстояния между ведущими колесами.
Блок управления дополнительно включает блок контроля линии перемещения с аналоговыми датчиками, выполненными с функцией определения изменения черного цвета на белый.
Ниже рассматривается пример конкретного исполнения полезной модели (фиг. 1).
Платформа 1, являющаяся остовом устройства, представляет собой, по сути, пластину из листового алюминия толщиной 4 мм, обработанного на ЧПУ станке и квадратной алюминиевой трубы 40×40 мм (используется в качестве ребра жесткости или периметра жесткости пластины для исключения ее коробления, то есть потери плоскостности). Эта пластина служит базовым элементов для закрепления в общую сборочную конструкцию всех компонентов устройства.
Пластина размещена на колесной базе из четырех колес (пара ведущих и пара свободных и самоустанавливающихся). На пластине может крепиться корпус или кожух из композитного материла алюминия и пластика (не показан). Этот корпус или кожух используется в качестве защитного элемента для размещаемых на поверхности пластины компонентов (блок автономного питания с аккумуляторной батареей, блок управления движением платформы и т.д.), а так же для исключения попадания грязи, пыли, влаги и др. опасных для функционирования компонентов следов окружающей среды.
Колесная база включает в себя два ведущих колеса 2, расположенных по боковым сторонам пластины и снаружи нее. Ведущие колеса выполнены большого диаметра и приводится во вращение каждый отдельным двигателем постоянного тока 3, который закреплен под пластиной. Диаметр ведущих колес выполнен больше расстояния от опорной поверхности до нижней поверхности пластины платформы. Таким образом, часть каждого ведущего колеса расположена над пластиной. Такое исполнение ведущих колес обеспечивает возможность переезда высоких препятствий типа порогов или ям в опорной поверхности. Опорное горизонтальное положение пластины обеспечивается двумя ведомыми колесами 4, выполненными рояльного типа с возможностью вращения на 360°. При этом эти ведомые колеса расположены под платформой (прикреплены к ней снизу) и на расстоянии друг от друга, меньшем расстояния между ведущими колесами 2. Размещение ведомых колес 4 на ширине, меньшей ширине расположения ведущих колес, позволяет ведомым колесам самостоятельно выравниваться по курсу движения ведущих колес из-за наличия бокового момента, сформированного на плече, равном половине разницы между расстояниями колес.
Ведущие колеса 2 могут быть выполнены из легкосплавного материала, композита, полимерного материала и могут иметь на поверхности качения обрезиненный слой (для повышения сцепления с опорной поверхностью). Так как ведомые колеса 4 выполняют функцию опорных точек для удержания пластины в горизонтальном положении, то они могут быть выполнены из любого материала, например, из полимера.
Тяговые функции в платформе несут электродвигателя постоянного тока 3. Для каждого ведущего колеса используется один такой электродвигатель, который прикреплен к пластине с нижней ее стороны.
На пластине расположен блок автономного питания с аккумуляторной батареей/батареями (например, аккумулятор Topla Тор емкостью 54 А/ч.) для обеспечения автономного питания как электродвигателей, так и всех компонентов (блок управления движением платформы на базе компьютеризированных средств и средство фотовидеофиксации).
Данный блок может быть выполнен с узлом зарядки аккумуляторной батареи от системы централизованного электрообеспечения или бесконтактным способом через блок беспроводной зарядки аккумуляторных батарей, как это описано в RU 160103.
Средство фотовидеофиксации размещено на опорной стойке 5, закрепленной на платформе, и связано с блоком беспроводной связи (WiFi, Bluetooth), размещенным на пластине. При движении платформы проводится фото или видеосъемка и данные передаются в центр сбора информации и принятия решений. По данным, например видеофиксации наполненности полок или стеллажей товаром в торговом зале сетевого магазина, можно контролировать вывоз товара со склада и раскладку его на полки в соответствии со спросом покупателя. Стойка выполнена достаточно высокой и закреплена на платформе (пластине). Высота стойки выполняется большой из расчета того, чтобы средство фотовидеофиксации могло охватить большой угол и с учетом высоты полок и стеллажей. Например, малогабаритная видеокамера КАРКАМ КАМ-110 с чувствительностью 0,01 люкс имеет угол обзора 110°. Понятно, чтобы охватить несколько полок в зале необходимо, чтобы видеокамера была расположена на достаточно большом расстоянии от полки. Но в торговом зале расстояние между полками примерно 1,5-2,0-2,5 м, что существенно ссужает угол съема фиксируемой картинки. Поэтому необходимо приподнять видеокамеру до уровня, как минимум средне расположенных по высоте полок.
Средство фотовидеофиксации может быть установлено на опорной стойке с возможностью поворота влево-вправо или иметь встроенный такой механизм. В этом случае повышается объем снимаемой информации с одной позиционной точки, в которой находится мобильное средство в момент съемки.
На пластине закреплен блок управления движением платформы на базе компьютеризированных средств, например в виде платы GigaByte GA-AB350N с установленным процессором AMD А10 9700 (а также другими комплектующими отвечающими за работоспособность компьютера).
Этот блок так же включает в свой состав датчики фиксирования препятствий и средство контроля линии перемещения, выполненное на применении аналоговых датчиков, выполненных с функцией определения изменения черного цвета на белый (контроль линии производят пять аналоговых датчиков Troyka-Digital Line Sensor). Контроль препятствий осуществляет RPLidar (например, модель SLAMTEC RPLIDAR А1М8 - лазерный дальномер, сканирующий пространство вокруг себя на 360° со скоростью 8000 измерений в секунду. Радиус сканирования от 15 см до 12 м. Этого достаточно для ориентации на местности в реальном времени большинства робототехнических систем).
Контроль движения и сбор технической информации осуществляет плата Arduiono UNO (контроллер построен на ATmega328. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи).
Конкретное расположение компонентов (батареи, управления курсовой устойчивостью, датчики, процессор и т.д.) на приведенном фиг. 1 не показано. Это объясняется тем, что расположение может иметь множество вариантов компоновочного решения. Общим для всех компоновочных решений является выполнение весовой разнесенности их на платформе или под платформой для обеспечения равномерной нагрузки на все колеса. Условие равномерной нагрузки на все колеса позволяет исключить необходимость корректировки курсовой устойчивости, вызванной смещением платформы относительно маркерной линии по причине повышенного сопротивления в пятне качения одного из ведущих колес или подтормаживания одного их ведомых колес (момент бокового увода).
Мобильное устройство передвигается по маркерной линии за счет контроля линии, осуществляемого аналоговыми датчиками Troyka-Digital Line Sensor. Данная модель датчиков обладает высокой чувствительностью к смене цвета и при этом может различать так же серый цвет. Это свойство важно, так как маркерная линия на полу торгового зала между полками и стеллажами, выполненная, например, белого цвета, может иметь загрязнения или стертости. Такие повреждения и неидеальности маркерной линии не влияют на курсовую устойчивость устройства. При смещении от маркерной линии (за пределы допуска) поступает сигнал на изменение оборотов одного из электродвигателей для выравнивания положения платформы. Скорость передвижения вдоль маркерной линии задается в зависимости от объема проводимой фото- или видеофиксации окружающей обстановки.
Настоящая полезная модель промышленно применима и может найти применение в любой области, где необходим автономный и без участия человека мониторинг окружающей обстановки. Пример применения заявленного мобильного устройства в торговом зале сетевого магазина - это один из вариантов использования полезной модели. Устройство обладает достаточно высокой проходимостью препятствий (в виде ям и порогов) за счет большого диаметра ведущих колес. Полезная модель позволяет повысить курсовую устойчивость и исключить опрокидывание мобильной платформы, работающей в режиме автономного передвижения без участия оператора.