Меню

Вопросы/ответы

Системы передвижения мобильных роботов

Системы передвижения роботов относятся к их исполнительным системам наряду с манипуляционными системами. В современных мобильных роботах нашли применение практически все известные транспортные средства. Кроме того, предметом робототехники являются различные бионические способы передвижения (локомоций), заимствованные у живой природы и не освоенные ещё в технике. К ним, прежде всего, относится шагание. Основной специфической частью всех систем передвижения являются движители, преобразующие усилие от двигателей приводов в усилие, движущее систему передвижения.

Типы мобильности

Можно выделить четыре принципиально различных типа мобильных роботов - наземные, воздухоплавающие, водоплавающие, подземные и космические.

Наземные мобильные роботы обычно подразделяются на три больших класса: колесные наземные мобильные роботы, шагающие наземные мобильные роботы и гибридные наземные мобильные роботы. Помимо этих трех наиболее многочисленных классов мобильных роботов существует большое количество специализированных мобильных роботов, ориентированных на ограниченное применение.

К их числу относятся рельсовые роботы, адсорбционные роботы (способные передвигаться по крутым участкам, цепляясь за поверхность с помощью вакуумных присосок), роботы на магнитной или воздушной подушке, а также не попадающие ни в одну из перечисленных групп ползающие роботы. Мобильные роботы, предназначенные для выполнения только транспортных операций по перевозке грузов, - робокары - часто не имеют манипуляторов, а снабжены упрощенными одно- и двухстепенными погрузо-разгрузочными устройствами. Последние операции могут выполняться стационарными манипуляторами, находящимися в местах остановки транспортных роботов.

Среди множества разнообразных типов мобильных роботов в настоящее время наибольший практический интерес вызывают колесные наземные мобильные роботы. Предложено большое количество принципов классификации колесных наземных мобильных роботов: Если воспользоваться классификацией по способу управления работой колес, то можно выделить следующие три группы колесных роботов: автомобильная группа (поворот осуществляется только за счет передних колес); группа с произвольным независимым управлением поворотом каждого колеса влево или вправо (например, кресло-каталка); группа роботов, способных перемещаться во всевозможных направлениях. Большинство применяемых на практике колесных мобильных роботов относится ко второй группе, т.е. данный метод управления оказывается наиболее важным. Что касается роботов, колеса которых могут поворачиваться в любую сторону, то они пока находятся на стадии экспериментальных исследований и опытных испытаний.

Среди шагающих мобильных наземных роботов практический интерес представляют конструкции с разным числом конечностей - от многоногих шагающих аппаратов, напоминающих сороконожку, до роботов с 8, 6, 5, 4, 3 и 2 конечностями. Кроме того, в исследовательских центрах и научных лабораториях изучаются принципы создания безногих мобильных аппаратов, способных перемещаться подобно змеям или морским моллюскам. На практике потребность в шагающих аппаратах возникает в связи с необходимостью использования роботов для передвижения по местности с большим количеством препятствий или неровностей, а также так, где от него требуется умение взбираться и спускаться по ступенькам обычной лестницы.

Тип мобильных аппаратов Способ реализации (способ управления)

Колесные - Автомобили; аппараты с независимым управлением поворотом колес влево или вправо (кресло-каталка); аппараты с произвольным выбором направления движения
Шагающие - Многоногие аппараты; аппараты с 8, 6, 5, 3, 2 или 1 конечностями
Гибридные - Аппараты, способные перемещаться как при помощи колес, так и при помощи конечностей
Специализированные - Адсорбционные (вакуумные) аппараты; мобильные аппараты на магнитной или воздушной подушке; рельсовые аппараты; ползающие аппараты, змееподобные, извивающиеся при движении аппараты

Заметим, что способы передвижения на 2, 4, 6 и 8 ногах не были изобретены специально в ходе разработки мобильных роботов. Их предложила сама природа: ведь именно так перемещаются человек и различные живые существа.

Мобильные роботы специального назначения

К таким роботам обычно относят роботы, способные автоматически перемещаться по неровному полу, на открытой местности или по каким-либо другим специфическим поверхностям. Типовые специфические поверхности включают произвольную неровность (открытый участок), уступ, лестницу, стену. Для перемещения по перечисленным специфическим поверхностям помимо колесных тележек применяются гусеничные механизмы, шагающие аппараты-педипуляторы, тележки с адсорбционными присосками, а также механизмы, способные при движении помогать себе руками.

Мобильный робот, способный преодолевать препятствия типа "уступ"

МОн состоит из трех одинаковых секций. Каждая секция представляет собой короткую тележку с парой колес относительно большого диаметра. Тележки попарно соединены между собой гибкой сцепкой пружинного типа. При встрече с препятствием, высота которого может превосходить диаметр колес, тележки трехзвенного механизма последовательно, одна за другой вскарабкиваются на уступ.

Преодоление уступа осуществляется следующим образом. Колеса передней тележки, достигнув уступа, упираются в него и продолжают вращаться. За счет силы трения колес о вертикальную стенку уступа, а также под напором второй и третьей секций первая тележка начинает подниматься. Так как две задние тележки могут оказать достаточно большое давление на переднюю, то сила трения между колесами первой тележки и стенкой весьма велика и проскальзывание практически исключается. В результате первая тележка, поднимаясь все выше, достигает вершины уступа. Взобравшись на уступ, она начинает увлекать за собой вторую, среднюю тележку. Таким образом, средняя тележка поднимается не только за счет силы трения о стенку, зависящей от величины давления, которое оказывает на нее последняя тележка, но и за счет натяжения сцепки от первой тележки. Как только две тележки оказались наверху, они втягивают за собой последнюю, третью тележку, и уступ преодолен.

В рассматриваемом методе преодоления высоких уступов нашли применение два основных принципа, широко используемым при построении других транспортных механизмов аналогичного назначения. Один из них - это увеличение трения колес передней тележки о стену за счет давления, прикладываемого со стороны задних тележек, расположенных на ровном участке. Собственно благодаря этому тележке удается вскарабкаться на уступ. Другой - применение составных тележек, при этом каждая из тележек должна иметь определенную свободу относительных перемещений.

Мобильные роботы, способные перемещаться по стене

Для перемещения по вертикальной стене, очевидно, необходимо каким-то образом зацепляться за поверхность стены. Наиболее распространенные методы зацепления основаны на использовании различных адсорбционных механизмов. В качестве таких механизмов могут использоваться, например, вакуумные присоски, сходные по принципу действия со щупальцами осьминога. Присоски выполняются в виде опрокинутых чашечек, плотно прилегающих к поверхности стены; эффект зацепления достигается за счет создания отрицательного давления в полости чашечки в результате удаления (откачки) оттуда воздуха. Если стена и конечности выполнены из соответствующих металлов, зацепления можно добиться, используя магнитные свойства этих материалов.

Другие типы мобильных роботов специального назначения

Мобильные роботы для перемещения по трубопроводу. Этот уникальный по своему назначению дистанционно управляемый мобильный аппарат состоит из корпуса на двух колесах и двух рук, расположенных по обеим сторонам корпуса и используемые в качестве дополнительной опоры. При движении робота внутри трубы руки раздвигаются в противоположную от колес сторону, в результате чего увеличивается сила сцепления колес со стенкой трубы и полностью исключается их проскальзывание.

Шагающие роботы

Особый раздел робототехники составляют шагающие системы передвижения и основанные на них транспортные машины. Они являются предметом робототехники потому, что механические ноги - педипуляторы (от латинского слова pes, pedis - нога) - наиболее близки другому основному объекту робототехники - манипуляторы. Однако значение и потенциальные области применения шагающих систем машин выходят за пределы робототехники. Способ передвижения с помощью ног (шагание, бег, прыгание), как известно, является наиболее распространенными в живой природе. Однако в технике он ещё не получил заметного применения прежде всего из-за сложности управления. Развитие робототехники создало необходимую научно-техническую основу для реализации этого принципиально нового для техники способа передвижения и для создания нового типа транспортных машин - шагающих.

Шагающий способ представляет основной интерес для движения по заранее неподготовленной местности с препятствиями. Традиционные колесные и гусеничные транспортные машины оставляют за собой непрерывную колею, тратя на это значительно большую энергию, чем в случае передвижения шагами, когда взаимодействие с грунтом происходит только в местах упора стопы. Помимо этого шагающий способ передвижения обладает и большей проходимостью на пересеченной местности вплоть до возможности передвигаться прыжками, преодолевать препятствия и т.п. При шагающем способе меньше разрушается грунт, что, например, важно в тундре. При движении по достаточно гладким и подготовленным поверхностям этот способ уступает колесному в экономичности, скорости передвижения и простоте управления.

В задачу системы управления шагающей машины входят:

стабилизация в процессе движения положения корпуса машины в пространстве на определенной высоте от грунта независимо от рельефа местности;
обеспечение движения по определенному маршруту с обходом препятствий;
связанное управление ногами, реализующее определенную походку с адаптацией к рельефу местности.

Поскольку основное назначение шагающих машин - передвижение по сильно пересеченной местности, управление ими обязательно должно быть адаптивным. В системе управления при этом выделяют обычно следующие 3 уровня управления:

первый, нижний, уровень - управление приводами степеней подвижности ног;
второй уровень - построение походки, т.е. координации движений ног, со стабилизацией при этом положения корпуса машины в пространстве;
третий уровень - формирование типа походки, направления и скорости движения, исходя из заданного маршрута в целом.

Первый и второй уровни реализуются автоматически, а третий уровень осуществляется с участием человека-оператора ("водителя").

Шагаюшие роботы

Устойчивость

Для того чтобы какое-либо тело при движении находилось в устойчивом положении, в общем случае необходимо, чтобы оно имело опору по крайней мере в трех точках. Следовательно, чтобы шагающий аппарат был устойчивым, ему необходимы, по крайней мере, три ноги. Вместе с тем человек пользуется при ходьбе двумя ногами и обладает достаточно большой устойчивостью. Более того, при необходимости он способен перемещаться даже на одной ноге - прыжками. Однако создание мобильных роботов, способных передвигаться на двух ногах так же устойчиво, как и человек, сопряжено с огромными трудностями, и основная из них заключается как раз в разработке методов, обеспечивающих динамическую устойчивость двуногого шагающего аппарата.

Взаимодействие ног в процессе ходьбы

Работу ног при движении шагающего аппарата будем называть процессом ходьбы. В процессе ходьбы каждая нога может находиться в одном из двух принципиально различных состояний:

опорное положение - в это время нога касается поверхности и служит опорной для корпуса аппарата;
свободное положение - в это время нога находится над поверхностью и "готовится" к выполнению опорных функций на следующем шаге.

В процессе ходьбы ноги шагающего аппарата попеременно занимают то опорное, то свободное положения, причем в течение одного цикла каждая нога занимает то и другое положение один раз. Последовательность чередований ног за один период называется циклом ходьбы, а расстояние, которое проходит аппарат за один цикл, - шагом.

Среди механических ног с двумя степенями подвижности наиболее широкое применение получили конструкции следующих двух типов:

нога состоит из двух звеньев, и каждое из них имеет одну вращательную степень подвижности;
нога образована одной телескопической парой, которая помимо удлинения-сокращения имеет еще одну степень подвижности - вращение в точке подвеса.

Помимо таких конструкций было предложено несколько кинематических механизмов, в которых шаговое движение выполнялось путем прямолинейных перемещений.

При рассуждении о том, каким минимальным числом степеней подвижности должна обладать каждая нога шагающего аппарата, неявно предполагалось, что корпус робота перемещается строго прямолинейно. Как оказалось, справедливо и обратное утверждение, т.е. если каждая нога робота располагает только двумя степенями подвижности, а его корпус не имеет специального механизма для изменения ориентации в пространстве, то такой робот может двигаться только в прямолинейном направлении. Для изменения направления робота только за счет работы ног необходимо, чтобы каждая его нога обладала, по крайней мере, тремя степенями подвижности

Шестиногие шагающие роботы

Шестиногие шагающие роботы, по-видимому, являются самой многочисленной из всех когда-либо и где-либо разработанных категорий механизмов, способных перемещаться с помощью искусственных ног. Популярность этих роботов в значительной степени обусловлена тем, что проблемы обеспечения статической устойчивости движущихся шестиногих аппаратов решаются относительно просто по сравнению с другими конструкциями.

Одной из проблем, которой уделяется существенное внимание при проектировании мобильных шагающих аппаратов, является уменьшение необходимой мощности источников питания и сокращение затрат энергии. Другими словами, необходимо повысить к.п.д. многоногих механизмов, т.е. уменьшить потребляемую мощность и повысить развиваемую мощность. В самом деле, если учесть, что в общем случае каждая из n конечностей имеет две-три степени подвижности и управление каждой из степеней сопряжено с определенными затратами энергии, то очевидно, что сравнение шагающих и колесных транспортных средств по к.п.д. будет далеко не в пользу первых. В связи с этим, по-видимому, главная цель, к достижению которой должны стремиться исследователи сегодня, заключается в создании экспериментальных шагающих аппаратов, способных на практике продемонстрировать сочетание высоких функциональных возможностей с достаточно большой развиваемой мощностью при малых затратах энергии.

Была разработана система управления ходьбой шестиногого робота, каждая из конечностей которого приводится в движение с помощью трех электромоторов (всего 18 электромоторов). Наличие диодных мостов и триаков в системе управления позволяет задать произвольный сдвиг фаз в работе двигателей и, таким образом, обеспечить реализацию походки любого типа. Очевидно, управление перемещением шагающего аппарата должно быть организовано так, чтобы при ходьбе ни одна из конечностей не создавала помех для другой. Естественно, самое простое решение проблемы предотвращения столкновений движущихся конечностей - принципиальное устранение самой возможности столкновений путем выбора границ зон достижимости каждой из ног таким образом, чтобы соседние зоны не имели перекрытий.

Под руководством советского ученого Д.Е. Охоцимского был выполнен цикл работ по исследованию шестиногого педипулятора, способного ориентироваться на местности с помощью однонаправленного сканирующего датчика для измерений расстояний. Последний по своим функциям подобен усикам насекомого.

Потребности в мобильных роботах специального назначения, например в роботах для обслуживания ядерных реакторов или для тушения пожаров и выполнения спасательных работ на пожарах, будут стремительно возрастать. Следует добавить, что, по всей вероятности, эти потребности будут удовлетворяться, прежде всего, за счет шагающих аппаратов с шестью конечностями. Очевидно, что в соответствии с условиями применения этих роботов первым в списке из важнейших функциональных возможностей должно быть указано умение достаточно быстро спускаться и подниматься по лестнице с различными размерами и частотой ступенек. Поэтому есть основания предполагать, что в ближайшем будущем исследования шестиногих шагающих аппаратов, способных ходить лестницам, будут развиваться наиболее быстрыми темпами

Техническое зрение роботов

С целью классификации методов и подходов, используемых в системах технического зрения, зрение разбито на три основных подкласса: зрение низкого, среднего и высокого уровней. Системы технического зрения низкого уровня предназначены для обработки информации с датчиков очувствления.

Эти системы можно отнести к классу "интеллектуальных" машин, если они обладают следующими признаками (признаками интеллектуального поведения):

возможностью выделения существенной информации из множества независимых признаков;
способностью к обучению на примерах и обобщению этих знаний с целью их применения в новых ситуациях;
возможностью восстановления событий по неполной информации;
способностью определять цели и формулировать планы для достижения этих целей.

Создание систем технического зрения с такими свойствами для ограниченных видов рабочего пространства в принципе возможно, но характеристики таких систем далеки от возможностей человеческого зрения. В основе технического зрения лежит аналитическая формализация, направленная на решение конкретных задач. Машины с сенсорными характеристиками, близкими к возможностям человека, по-видимому, появятся еще не скоро. Однако отметим, что копирование природы не является единственным решением этой проблемы. Читателю наверняка известны ранние экспериментальные образцы аэропланов с машущими крыльями и другими особенностями полета птиц. Современное решение задачи о полете в пространстве в корне отличается от решений, подсказанных природой. По скорости и достижимой высоте самолеты намного превосходят возможности птиц. Системы технического зрения среднего уровня связаны с задачами сегментации, описания и распознавания отдельных объектов. Эти задачи охватывают множество подходов, основанных на аналитических представлениях. Системы технического зрения высокого уровня решают проблемы, рассмотренные выше. Для более ясного понимания проблем технического зрения высокого уровня и его связи с техническим зрением низкого и среднего уровней введем ряд ограничений и упростим решаемую задачу.

Сегментация

Сегментацией называется процесс подразделения сцены на составляющие части или объекты. Сегментация является одним из основных элементов работы автоматизированной системы технического зрения, так как именно на этой стадии обработки объекты выделяются из сцены для дальнейшего распознавания и анализа. Алгоритмы сегментации, как правило, основываются на двух фундаментальных принципах: разрывности и подобии. В первом случае основной подход основывается на определении контуров, а во втором - на определении порогового уровня и расширении области. Эти понятия применимы как к статическим, так и к динамическим (зависящим от времени) сценам. В последнем случае движение может служить мощным средством для улучшения работы алгоритмов сегментации.

Проведение контуров и определение границы

Методы - вычисление градиента, пороговое разделение - определяют разрывы в интенсивности представления образа объекта. В идеальном случае эти методы определяют пикселы, лежащие на границе между объектом и фоном. На практике данный ряд пикселов редко полностью характеризует границу из-за шума, разрывов на границе вследствие неравномерной освещенности и других эффектов, приводящих к размытию изображения. Таким образом, алгоритмы обнаружения контуров сопровождаются процедурами построения границ объектов из соответствующих последовательностей пикселов. Ниже рассмотрено несколько методик, пригодных для этой цели.

Локальный анализ

Одним из наиболее простых подходов соединения точек контура является анализ характеристик пикселов в небольшой окрестности (например, в окрестности размером 3 X 3 или 5 X 5) каждой точки (х, у) образа, который уже подвергся процедуре обнаружения контура. Все точки, являющиеся подобными (определение критерия подобия дано ниже), соединяются, образуя границу из пикселов, обладающих некоторыми общими свойствами.

При таком анализе для установления подобия пикселов контура необходимо определить:

Расчет и конструирование захватного устройства роботов

Кинематический расчет

Кинематическая схема захватного устройства клещевого типа с реечным передаточным механизмом состоит из двух губок, зубчатых колес, жестко связанных с пальцами и поворачивающихся с помощью зубчатой рейки, жестко связанной с тягой пневмоцилиндра.

Работает механизм следующим образом: при втягивании тяги, а вместе с ней и рейки поворачиваются зубчатые колеса, это обусловливает сближение губок, в результате чего осуществляется схват детали. При обратном движении тяги губки разжимаются и деталь освобождается.

Точностной расчет

Произведем точностной расчет размерной цепи узла, состоящего из де-талей последовательно насаженных на ось, вероятностным методом.

Составляем увязочный эскиз (рис. 10) размерной цепи.
Присваиваем цепи буквенный индекс - А.

Выявляем замыкающее звено и тип каждого из составляющих звеньев. Звеньям присваиваем подстрочные индексы. Принимаем в качестве замы-кающего звена A - символический зазор между кронштейном и упорной шайбой. Звенья А1 ... А5, А7 - уменьшающие, А6 - увеличивающее. Сформиру-ем таблицу и заполним на данном этапе 1 - 4 колонки.

Строим схему рассчитываемой цепи.

Определяем номинальный размер замыкающего звена при i = 1

Ориентировочно (из конструкторско-технологических соображений) назначим допуск на замыкающее звено T *1= 100 мкм.

Пологая распределение отклонений размеров А2, А3 по нормальному закону (Гаусса), А1, А4 - по неизвестному закону и остальные - по закону равнобедренного треугольника (Симпсона), заполняем колонку.

Принимаем коэффициент риска p= 0.27% и t =3, тогда среднее число единиц допуска замыкающего звена, приходящееся на одно составляющее звено (исключая стандартные детали).

По числу единиц допуска определяем квалитет. Найденное значение соответствует 8-му квалитету точности.

Принимаем на составляющее звено А6 допуск основного отверстия Н8, а на остальные - вала h8. Заполняем 5, 6, 8 колонки таблицы.

Вычисляем для каждого j-го звена координату середины поля допуска.

Полученные результаты заносим в таблицу в колонки 5 и 6, поскольку номинальный размер замыкающего звена равен нулю, то полученные значения являются его предельными значениями.

Определяем теоретические предельные отклонения замыкающего звена, которые могут быть получены при самых неблагоприятных сочетаниях допусков составляющих звеньев.

Анализ показывает, что в случае принятых исходных данных (ква-литете, отклонениях и т.д.) вероятностный натяг в размерной цепи не будет превышать 0.1 мм. При необходимости его можно скомпенсировать проклад-ками под крышками подшипников, а наличие вероятностного осевого зазора порядка 0.007 мм компенсируется температурными деформациями оси. Та-ким образом, принятые в данной размерной цепи допуски составляющих звеньев обеспечат нормальную работу механизма. Маловероятные значения), в случае их появления компенсируются традицион-ными методами (дистанционные кольца, прокладки и т.д.).

Выбор пневмоцилиндра

Произведем выбор пневмоцилиндра, руководствуясь следующими критериями:

пневмоцилиндр должен развивать усилие не менее 550 н ;
ход поршня не менее 18.055 мм.

При давлении 0.63 МПа и теоретическом тянущем усилии 720 н дейст-вительное усилие - 570 н. Следовательно выбираем следующий пневмоцилиндр:

Пневмоцилиндр 1011-40х50 ГОСТ 15608-70

В данном курсовом проекте разработано центрирующее захватное устройство клещевого типа с реечным передаточным механизмом для детали типа тело вращения - полумуфты маслонасоса .

Его параметры :

диаметр максимального схвата - 140 мм;
диаметр минимального схвата - 80 мм;
ход поршня не более 50 мм ;
габаритные размеры не превышают 400х400х600 мм.

Двигательное усилие создается под действием сжатого воздуха