mgr in. ukasz Róycki, dr in. Maciej Trojnacki Przemysowy Instytut Automatyki i Pomiarów
MAOGABARYTOWY ROBOT MOBILNY
DO ROZPOZNANIA WEWNTRZ BUDYNKU
Praca dotyczy maego robota mobilnego przeznaczonego do rozpoznania wewntrz budynku. Zaprezentowano w niej przegld istniejcych rozwiza robotów mobilnych o specyficznych ukadach jezdnych oraz rozwiza hybrydowych. Opisano koncepcj robota oraz przebieg prac projektowych. Omówiono take najwaniejsze problemy techniczne, konstrukcyjne oraz technologiczne, które wystpiy podczas opracowywania modelu konstrukcji robota.
SMALL-DIMENSION MOBILE ROBOT FOR INDOOR RECONNAISSANCE This work is concerned about small mobile robot for indoor reconnaissance. A review of existing mobile robots with specific driving systems and with hybrid solutions is presented. Robot idea and designing process are described. Most important technical, designing and technological problems which appeared during drawing up robot construction model are discussed.
1. WPROWADZENIE
Gsienicowe lub koowe roboty mobilne o klasycznym ukadzie podwozia i niewielkich wymiarach maja ograniczone moliwoci trakcyjne w rodowisku, w którym normalnie i bezproblemowo porusza si czowiek. Zwyky krawnik moe by trudn przeszkod do pokonania, a schody znacznie wysze od krawnika mog okaza si nie do przebycia. Budowa niewielkich pojazdów rozpoznawczych dziaajcych dyskretnie w rodowisku naturalnym czowieka wymaga przemylanych rozwiza konstrukcyjnych znacznie podnoszcych moliwoci trakcyjne takiego urzdzenia.
W pracy zaprezentowany jest przebieg prac nad demonstratorem niewielkiego robota mobilnego przeznaczonego do rozpoznania w obszarze zurbanizowanym. Na pocztku przedstawiony jest przegld literatury i istniejcych rozwiza robotów mobilnych o specyficznych ukadach jezdnych oraz rozwiza hybrydowych. Nastpnie opisana jest koncepcja urzdzenia i przebieg prac projektowych. Omówiono take najwaniejsze problemy techniczne, konstrukcyjne oraz technologiczne, które wystpiy podczas opracowywania modelu konstrukcji robota.
Prezentowane rozwizanie konstrukcyjne jest rozwizaniem hybrydowym, gdy czy zalety rozwiza koowych i kroczcych. Znaczny wzrost moliwoci trakcyjnych robota osignito poprzez ruchome poczenie midzy podwoziem, a jego korpusem. Dziki temu robot moe zarówno porusza si po paskiej powierzchni na koach, jak i wspina po schodach dziki moliwoci przenoszenia podwozia nad korpusem.
2. ROBOTY MOBILNE HYBRYDOWE I O SPECYFICZNYCH UKADACH JEZDNYCH W literaturze dotyczcej robotów mobilnych mona znale nieliczne przypadki robotów hybrydowych, tj. czcych zalety robotów koowych i kroczcych. Mona natomiast znacznie czciej spotka roboty koowe o specyficznych ukadach jezdnych. Takimi przykadami s roboty opisane w pracach [1, 4, 5, 6, 7, 9]. Roboty te dziaaj na analogicznej zasadzie, tj. ich ukad zawieszenia dostosowuje si do nierównoci podoa. Przykady tego typu robotów s zilustrowane na rys. 1a-c. Prekursorem tego typu robotów by radziecki pojazd bezzaogowy unochod przeznaczony do bada Ksiyca, którego pierwsza misja zostaa zrealizowana pod koniec 1970 r.
a) b)
c) d)
e) f)
Rys. 1. Przykady robotów o specyficznych ukadach jezdnych oraz robotów hybrydowych: robot opracowany przez KAIST [1] (a), robot zaprojektowany w Tohoku University [6] (b), robot IBIS
produkcji PIAP (c), PackBot firmy iRobot (d), Micro VGTV (Laboratoire d'Ingenierie des Systèmes Automatisés Angers) (e), robot Roller Walker opracowany w Tokyo Institute of Technology
Innym, specyficznym rozwizaniem technicznym umoliwiajcym poruszanie si robota w zrónicowanym terenie jest zastosowanie gsienic o zmiennej geometrii. Tego typu rozwizania s opisane w pracach [8, 9, 10] i zilustrowane na rys. 1d-e.
Innowacyjnym rozwizaniem technicznym jest robot Roller Walker [2, 3] (rys. 1f). Jest to robot jedco-kroczcy, który jest wyposaony w rolki-stopy, które umoliwiaj zarówno kroczenie jak i jazd robota na podobnej zasadzie, jak robi to rolkarze. W rozwizaniu tym rolki (koa) nie s napdzane, a ich toczenie nastpuje wskutek odpowiedniego ruchu nóg.
W ostatnim czasie opracowano take w NASA hybrydow konstrukcj robota przeznaczonego do eksploracji planet o nazwie Athlete [11] (rys. 2a). Konstrukcja robota skada si z szeciu nóg zakoczonych koami. Moliwa jest wic zarówno jazda robota na koach, jak i jego kroczenie. Do rozwiza hybrydowych mona take zaliczy ciekaw konstrukcj robota Chaos firmy Autonomous Solutions [12] (rys. 2b). Jest to robot wyposaony w cztery gsienice, które mog stanowi nogi robota, umoliwiajc jego kroczenie.
a) b)
Rys. 2. Przykady robotów hybrydowych: robot Athlete opracowany przez NASA (a) i robot Chaos firmy Autonomous Solutions (b)
Omawiane roboty maj róne przeznaczenie i obszar zastosowa. Spora cz z nich to konstrukcje eksperymentalne przeznaczone do prowadzenia bada w laboratoriach naukowych. Inne z kolei, jak robot zaprojektowany w Tohoku University [6] (rys. 1b) i robot Ahlete opracowany przez NASA (rys. 2a), s przeznaczone do poruszania si w nierównym terenie i pomylane do eksploracji obcych planet. Prekursorem tego typu robotów by wspomniany wczeniej radziecki pojazd bezzaogowy unochod. S te roboty przeznaczone gównie do poruszania si po schodach. Takim przykadem jest robot opracowany przez KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) [1] (rys. 1a). Coraz czciej roboty o podwyszonej mobilnoci znajduj praktyczne zastosowanie w wojsku. Przykadami takich robotów s m.in. opracowany w PIAP robot IBIS (rys. 1c), czy PackBot firmy iRobot (rys. 1d). Szerokie zastosowanie ma z kolei robot Micro VGTV (Variable Geometry Tracked Vehicle) (rys. 1e), który moe porusza si w rodowisku, w którym wystpuj zarówno nierównoci terenu, jak i strukturyzowane przeszkody typu schody.
Pomimo rónych rozwiza robotów mobilnych o specyficznych ukadach jezdnych i rozwiza hybrydowych, wci nie istnieje optymalne rozwizanie, które moe by zastosowane w dowolnie uksztatowanym terenie. Dlatego celowe jest poszukiwanie nowych, specjalizowanych rozwiza. 3. KONCEPCJA MAOGABARYTOWEGO ROBOTA MOBILNEGO
W niniejszej pracy zaprezentowana jest koncepcja modelu konstrukcji maogabarytowego robota przeznaczonego do rozpoznania wewntrz budynku. Robot zosta pomylany w taki sposób, aby móg zarówno porusza si na koach, jak i wspina po schodach. Z tego wzgldu mona
powiedzie, e jest to konstrukcja hybrydowa, tj. czca cechy lokomocji koowej i kroczcej. Ponadto robot zosta zaprojektowany w taki sposób, aby z jednej strony mia jak najmniejsze wymiary, (co ma szczególnie due znaczenie np. podczas badania podwozia samochodu, w którym moe znajdowa si potencjalnie niebezpieczny adunek), a z drugiej strony móg wykonywa obserwacj na jak najwyszej wysokoci (np. bada przedmioty znajdujce si na stole).
Zakada si, e robot bdzie pracowa w trybie teleoperacji, natomiast wspinanie si robota po schodach bdzie nastpowao automatycznie, pod kontrol operatora.
Wspinanie si robota po schodach jest moliwe dziki unikalnej strukturze kinematycznej (rys. 2).
Robot skada si z podwozia 0, wspornika 1, korpusu 2 oraz czterech kó oznaczonych jako LP (lewe przednie), PP (prawe przednie), LT (lewe tylne), PT (prawe tylne). Zakada si, e wszystkie cztery koa s niezalenie napdzane i sterowane. Robot po zoeniu ma nastpujce wymiary: 320x270x100 mm
(du-go, szeroko, wysoko). Rys. 2. Struktura kinematyczna robota
Wspornik 1 moe w nieograniczony sposób obraca si w przegubie B wzgldem podwozia 0 (ktT1). Podobnie korpus 2 moe dowolnie obraca si wzgldem wspornika 1 (ktT2).
Robot moe wspina si po schodach wykonujc pokazan na rys. 3 sekwencj ruchów.
Rys. 3. Sekwencja ruchu robota przy wspinaniu si po schodach
x z T1 T2 DLP,DPP DLT,DPT 0 1 2 y A X Z Y O B C D a) b) c) d) e) f) g) h) i)
Wspinanie si robota nastpuje z uwzgldnieniem pooenia jego rodka masy i punktu rodkowego nacisku, tak, aby robot wspina si w sposób kontrolowany i nie nastpio jego przepadnicie do przodu lub tyu. Rys. 3 stanowi ilustracj struktury kinematycznej robota w poszczególnych fazach ruchu z uwzgldnieniem przyjtych istotnych wymiarów - nie jest na nim zobrazowany projekt rzeczywistej konstrukcji robota.
Typowo robot porusza si na czterech koach, majc podniesiony korpus, w którym znajduje si obrotowa kamera umoliwiajca obserwacj otoczenia pojazdu (rys. 3a). Zblienie do krawdzi schodów jest realizowane manualnie przez operatora lub robot zatrzymuje si automatycznie w zadanej odlegoci od krawdzi schodów (jest wyposaony w czujnik odlegoci umieszczony w przedniej czci podwozia) (rys. 3b). Operator wciska odpowiedni przycisk rozpoczynajcy automatyczn sekwencj wspinania si robota po schodach. W pierwszej kolejnoci nastpuje opuszczenie korpusu i podnoszenie podwozia (rys. 3c). Podnoszenie podwozia jest kontynuowane a do chwili znalezienia si jego przedniej czci nad stopniem (rys. 3d). Maksymalna wysoko podniesienia przedniej czci podwozia umoliwia pokonywanie stopni o maksymalnej wysokoci ok. 20 cm. Z kolei odlego przednich i tylnych kó ogranicza minimaln dugo stopnia do ok. 27 cm. W czasie opuszczania podwozia na stopie operator nie ma moliwoci obserwacji z kamery znajdujcej si w korpusie, co znajduje si bezporednio przed podwoziem (moe za to obserwowa proces opuszczania si podwozia), dlatego w przyszoci planuje si wyposaenie robota w dodatkow kamer znajdujc si w przedniej czci podwozia. Przednia cz podwozia jest opuszczana a do wykrycia zetknicia ze stopniem (rys. 3e). Wykrycie zetknicia ze stopniem jest realizowane za pomoc czujnika odlegoci umieszczonego w przedniej czci podwozia i skierowanego w dó lub poprzez wczenie napdu przednich kó i pomiar zuycia prdu przez napdy (w momencie zetknicia kó nastpuje szybki wzrost zuycia prdu). Pó niej przednia cz podwozia toczy si po stopniu i równoczenie nastpuje obrót wspornika a do uzyskania pionowego jego pooenia (rys. 3f). Nastpnie nastpuje obrót korpusu, a do jego pokrycia si ze wspornikiem i rozpoczyna si obracanie wspornika ze zoonym korpusem (rys. 3g). Jest to kontynuowane a do oderwania si korpusu od podoa. Nastpnie podnoszony jest zarówno korpus, jak i wspornik. Jest to krytyczna konfiguracja robota, gdy daleko wysunity korpus wraz ze wspornikiem (rys. 3h) (szczególnie w pozycji poziomej) moe spowodowa przepadnicie robota do tyu. Wymaga to wic zastosowania odpowiednio duej masy podwozia. Obracanie si korpusu wraz ze wspornikiem jest kontynuowane a do uzyskania zoonej sylwetki robota (rys. 3i), tj. analogicznej jak na pocztku sekwencji wspinania si po schodach. Jeeli przed robotem znajduje si kolejny schodek proces wspinania si jest kontynuowany a do zakoczenia schodów, napotkania przeszkody lub przerwania ruchu przez operatora.
4. PRZEBIEG PRAC PROJEKTOWYCH ROBOTA
W trakcie prac projektowych wykonano na pocztku wstpne obliczenia statyczne wymaganych momentów napdowych dla poszczególnych konfiguracji robota.
Nastpnie opracowano szczegóowy model obliczeniowy robota zwizany z jego wspinaniem si po schodach. Model ten opracowano z uwzgldnieniem elementów dynamiki robota. Bazujc na opracowanym modelu obliczeniowym przygotowano oprogramowanie symulacyjne umoliwiajce zarówno symulacj, jak i animacj ruchu robota. Wykonano badania symulacyjne obejmujce syntez ruchu robota dla charakterystycznych pooe robota z uwzgldnieniem pooenia jego rodka masy i punktu rodkowego nacisku, a take obliczono siy reakcji podoa, minimalne dopuszczalne wartoci wspóczynników tarcia
lizgowego i momenty napdowe. Wyniki opisanych bada symulacyjnych zostan zaprezentowane w osobnej publikacji.
Na tej podstawie wstpnych i szczegóowych oblicze dobrano napdy robota. Konstrukcj robota zaprojektowano w programie ProEnginier. Uatwi to opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej robota oraz umoliwi znajomo dokadnych parametrów masowych robota. Na rys. 4 pokazano 3 róne konfiguracje robota, w szczególnoci konfiguracj zoonego robota (rys. 4b) i konfiguracj robota umoliwiajc obserwacj wyej pooonych miejsc (rys. 4c).
Silniki do napdu kó s zamontowane bezporednio w piastach kó, natomiast napdy zwizane z obrotem wspornika, korpusu i kamery s umieszczone w tulei przegubu dolnego oraz w korpusie. System mikroprocesorowy, odbiornik radiowy oraz kamera wraz z nadajnikiem radiowym s umieszczone w korpusie robota, natomiast akumulator zamontowany jest w podwoziu.
W trakcie prac projektowych robota natrafiono na szereg problemów technicznych, konstrukcyjnych i technologicznych. Problemy konstrukcyjne byy zwizane z maymi gabarytami robota oraz, w konsekwencji, z rozproszeniem ukadów elektroniki.
Przeznaczenie robota wymaga zastosowania dwóch przegubów obrotowych umoliwiajcych ich nieograniczony obrót oraz równoczenie przekazywanie zasilania i sterowa do poszczególnych napdów. Stwarza to nie tylko problemy konstrukcyjne, ale i technologiczne. Przeguby te musz umoliwia nieprzerwane przekazywanie zasilania o wymaganej mocy oraz sygnaów sterujcych. Dodatkowo nie powinny wytwarza dodatkowych zakóce.
Rys. 4. Projekt robota w programie ProEnginier a)
b)
Zastosowane na robocie nadajniki i odbiorniki radiowe maej mocy oraz niewielkich rozmiarów anteny zabudowane w robocie stwarzaj kolejne problemy, tym razem techniczne. Mog wystpi problemy w propagacji sygnau w przypadku zoonej konstrukcji robota (rys. 4b) i w innych szczególnych ukadach konfiguracyjnych wskutek przysaniania anten przez elementy robota. Podobne problemy mog take wystpi w przypadku przesaniania robota przez wiksze metalowe obiekty. Opisane problemy zwizane z propagacj fal elektromagnetycznych mona praktycznie oceni i wyeliminowa dopiero na etapie bada eksperymentalnych.
Silniki napdowe, pozwalajce zapewni odpowiedni zapas mocy dla poszczególnych przegubów, wytwarzaj podczas startu i wzmoonej pracy (w pobliu maksymalnej mocy) prdy rzdu 10 A i wicej. Tego rzdu prdy mog stanowi problem ze wzgldu na wymagane niewielkie wymiary zcz obrotowych ukrytych wewntrz poszczególnych przegubów. Mog m.in. wystpi problemy z bezpiecznym odprowadzeniem ciepa z takich zcz. Naley nadmieni, e w obecnej chwili nie istniej cywilne i ogólnie dostpne zcza obrotowe o nieograniczonym kcie obrotu oraz o wymaganej obcialnoci i rednicy zewntrznej okoo 18 mm.
W celu pokonywania wysokich przeszkód (w stosunku do wymiarów zoonego robota) opracowano metod polegajc na precyzyjnym, wzajemnym przemieszczaniu rodków mas poszczególnych czonów robota. Wymusza to nienaturalne rozoenie mechanizmów i elektroniki wewntrz kadego z czonów. Takie podejcie stwarza take problemy zwizane ze stabilnoci poszczególnych elementów wewntrz robota, zwiksza wymagania odnonie precyzji wykonania poszczególnych elementów oraz wymaga wielokrokowej optymalizacji przestrzeni wewntrznej.
Proponowana konstrukcja robota jest przewidziana do dziaa wewntrz budynków. Wykorzystanie jej na zewntrz moe by utrudnione z powodu niewielkich gabarytów robota (utrudnione moe by np. poruszanie si w wysokiej trawie), zwaszcza w przypadku niekorzystnych warunków pogodowych (intensywne opady, gbokie kaue itp.).
5. PODSUMOWANIE I KIERUNKI DALSZYCH BADA
W pracy zaprezentowano przegld istniejcych rozwiza robotów mobilnych hybrydowych i o specyficznych ukadach jezdnych. Opisano koncepcj robota oraz przebieg prac projektowych. Omówiono take najwaniejsze problemy techniczne, konstrukcyjne oraz technologiczne, które wystpiy podczas opracowywania modelu konstrukcji robota.
Opisany robot mobilny jest rozwizaniem hybrydowym, czcym cechy lokomocji koowej i kroczcej. czy on dwie zazwyczaj sprzeczne cechy, tj. z jednej strony po zoeniu posiada mae wymiary, gwarantujce inspekcj w niewielkich przestrzeniach, a z drugiej strony umoliwia obserwacj za pomoc kamery wzgldnie wysoko pooonych miejsc.
W ramach dotychczasowych prac projektowych wykonano szczegóowe obliczenia zwizane ze wspinaniem si robota po schodach, opracowano oprogramowanie symulacyjne robota oraz wykonano jego animacj. Wyniki tych prac zostan zaprezentowane w osobnej publikacji. W ramach dalszych prac planuje si wykonanie rzeczywistego modelu konstrukcji robota, implementacj oprogramowania na sterowniku robota oraz wykonanie niezbdnych bada eksperymentalnych.
Planuje si take rozwaenie szeciokoowej wersji robota (rys. 5). Taki robot moe zawiera zalety dotychczasowej konstrukcji, pozwalajc dodatkowo na obserwacj wyej pooonych miejsc (a do wysokoci ok. 80 cm), np. przedmiotów znajdujcych si na stole.
Rys. 5. Koncepcja robota szeciokoowego
BIBLIOGRAFIA
[1] Chun-Kyu Woo, Hyun Do Choi, Sukjune Yoon, Soo Hyun Kim, Yoon Keun Kwak: Optimal Design
of a New Wheeled Mobile Robot Based on a Kinetic Analysis of the Stair Climbing States, Journal of
Intelligent and Robotic Systems, Volume 49, Number 4 / August, 2007, 325-354.
[2] Gen Endo, Shigeo Hirose: Study on Roller-Walker –
Multi-mode Steering Control and Self-Contained Locomotion, Journal of Robotics and Mechatronics,
2000, Vol.12, No.5 pp. 559-566.
[3] Gen Endo, Shigeo Hirose: Study on Roller-Walker.
System Integration and Basic Experiments, Journal of
the Robotics Society of Japan, 2000, Vol.18, No.2, 270-277.
[4] Hyun Do Choi, Chun KyuWoo, Soohyun Kim, Yoon Keun Kwak, Sukjune Yoon: Independent traction
control for uneven terrain using stick-slip phenomenon: application to a stair climbing robot, Autonomous
Robots, Volume 23 , Issue 1 (July 2007), 3–18. [5] Karl Iagnemma, Steven Dubowsky: Traction Control of
Wheeled Robotic Vehicles in Rough Terrain with Application to Planetary Rovers, The International
Journal of Robotics Research, Vol. 23, No. 10–11, October–November 2004, 1029-1040.
[6] Kazuya Yoshida, Hiroshi Hamano, Toshinobu Watanabe: Slip-based Traction Control of a Planetary
Rover, Springer Tracts in Advanced Robotics, Volume
5/2003, 644-653.
[7] Lamon Pierre, Krebs Ambroise, Lauria Michel, Siegwart Roland, Shooter Steven: Wheel torque control
for a rough terrain rover, IEEE International
Conference on Robotics and Automation No21, New Orleans LA, 2004, 4682-4687, ISBN 0-7803-8232-3. [8] Paillat, J.-L., Lucidarme, P. and Hardouin, L.: Variable
geometry tracked vehicle (VGTV) prototype: Conception, capability and problems. In Proceedings of
the first conference on Humans Operating Unmanned Systems (HUMOUS’08), (2008), Brest, France.
[9] Trojnacki M., Szynkarczyk P., Andrzejuk A.: Tendencje
rozwoju mobilnych robotów ldowych (1). Przegld robotów mobilnych do zastosowa specjalnych,
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2008, 11-14.
[10] Yamauchi Brian: PackBot: A versatile platform for
military robotics, Unmanned ground vehicle
technology. Conference No6, Orlando FL , 2004, vol. 5422, 228-237, ISBN 0-8194-5345-5.
[11] Slideshow: Next Stop, The Moon
http://www.spectrum.ieee.org/print/6408. [12] Chaos robot is ready to tangle
http://dvice.com/archives/2007/02/chaos_robot_is_re ady_to_tangle.php.
