Разновидности и области использования мобильных роботов
а).Составляющие мобильных роботов. Любой мобильный робот может быть представлен в виде совокупности трех основных систем - транспортной, специальной и управления (см. рис. 1.2).
Транспортная система (платформа) состоит из ходовой части, корпуса и энергетической установки.
Система управления устанавливается внутри корпуса, а специальное оборудование - как внутри, так и снаружи корпуса. Транспортные системы могут быть наземными, морскими (надводными или подводными), воздушными и ракетно-космическими, причем они могут быть выпол-
йены на базе существующих транспортных средств в безэкипажном варианте или в виде специальных мобильных роботов.
Рис.1.2. Классификационная схема MP
Для наземных транспортных платформ, в зависимости от назначения и среды эксплуатации ходовая часть может быть гусеничная, колесная, колесно-
гусеничная, шагающая, колесно-шагающая и т.д. В основном, для наземных мобильных роботов используются колесные и гусеничные движители, причем при их использовании на труднопроходимой местности обычно выбирают гусеничный движитель как наиболее универсальный. При преимущественном использовании робота на дорогах более предпочтительным является колесный вариант транспортного средства. Несколько меньшее внимание уделяется шагающим движителям. Для отдельных задач движения внутри трубопроводов, в подземных коммуникациях и пустотах, а также на болотистой местности используется ползающий (змеевидный) движитель.
Шагающие MP5являясь универсальными, обладают высокими тяговыми свойствами на грунтах с низкой несущей способностью (песок, снег, болото и т.д), экологичностью взаимодействия с почвенным покровом (лес, тундра и т.д), позволяют развивать достаточные скорости и перемещаться по сложной, пересеченной местности (овраги, рвы, поваленные деревья, крупные валуны, крутые подъемы, лестничные марши), непреодолимой для прохождения колесных и даже гусеничных механизмов.
В работах [43, 70, 144, 145, 147] рассматривается кинематика и динамика шагающего движения, условия устойчивости, варианты и многообразие походок (в зависимости от числа ног их может быть несколько тысяч [43]). Теоретические основы управления двуногими движителями рассмотрены в работах [23, 28]. Необходимо отметить большую сложность математической модели шагающего аппарата, как управляемой механической системы с большим числом степеней свободы с различными вариантами устойчивого движения (походок). C появлением микропроцессоров и новых сенсоров исследования в направлении создания шагающих машин получили дальнейшее развитие. В настоящее время реализованы на действующих макетах четырех - восьминогие движители, исследуются режимы преодоления ими препятствий и совершения поворотов [30, 31]. Режимы устойчивого движения, в т.ч. по пересеченной местности, антропоморфного и трехногого шагающего MP исследуются в работах [35, 176].Разновидностью шагающих являются мобильные роботы вертикального перемещения, которые могут применяться в строительстве и судоремонте для покраски и очистки стен зданий, корпусов кораблей, мойки стеклянных поверхностей, инспекции стен резервуаров и установок [161]. В работах [48, 49] предложены режимы, алгоритмы движения и проведено численное моделирование шестиногого робота (состоящего из корпуса и шести ног с двумя суставами каждая) для случая перехода от горизонтального движения к вертикальному (залезанию на столб, трубу). Методы и алгоритмы движения управляемых мобильных роботов, способных перемещаться по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям, совершать переход с одной поверхности на другую и обходить на них препятствия, изложены в работе [51].
Ползающие (змееподобные) движители выполняются в виде многозвенни- ков, состоящих из цепочной системы связанных шарнирами твердых тел. Движитель лишен колес и является механическим аналогом змей и подобных им организмов [64, 86,168]. В частности, модель трехзвенного ползающего робота может передвигаться по поверхности, совершая маховые движения крайними
звеньями (за счет внутренних управляющих моментов, приложенных к шарнирам, соединяющим звенья).
Специальные системы служат для выполнения поставленных задач и состоят из набора специального и технологического оборудования (в зависимости от вида решаемых задач). В большинстве случаев мобильные роботы оснащаются манипулятором, выполняющим операции захвата предметов, манипулирования ими, переноса, укладки в тару и т.д. Такие роботы получили название мобильных манипуляционных роботов (именно этот термин используется в работах [155], [186] и других). Для ряда задач (разминирование боеприпасов, пожаротушения, выполнения строительных работ и монтажных работ в космосе) используется многозвенный манипулятор большой длины.
При решении разведывательных задач дополнительным специальным оборудованием является комплект датчиков и средства первичной обработки информации. При проведении взрывотехнических работ необходимым оборудованием являются средства диагностики взрывных устройств и гидроразрушители. Выполнение технологических задач может обеспечиваться специальным инструментом. При выполнении контрольно-диагностических работ MP оснащается высококачественной видеосистемой, средствами тепловизионного, радиационного контроля, радиолокационного сканирования и др., а также системой обработки и хранения информации.
Система управления обеспечивает управление движением и работой технологического оборудования, а также адаптивное управление ходовой частью и энергетической установкой MP с учетом взаимодействия транспортной системы с окружающей средой. Система управления (СУ) MP с дистанционным управлением включает в себя информационно-управляющую часть (аппаратура управления роботом, датчики, система технического зрения и микропроцессоры предварительной обработки информации), расположенную на мобильном роботе; пост оператора MP(пульт управления, видеопросмотровые устройства, ЭВМ для обработки информации) и комплект приемо-передающей аппаратуры, обеспечивающей передачу информации от робота на пост оператора и управляющих команд в обратном направлении.
Автономные MP способны интерпретировать, планировать и выполнять полученное задание без вмешательства извне, используя бортовой компьютер.
Причем достигать заданную цель они должны в известной или неизвестной среде, избегая столкновений со стационарными препятствиями и подвижными объектами. Поэтому, в автономных MP часть функций оператора передаетсяинтеллектуальной СУ [94, 129, 130], которая должна обеспечивать планирование движения в недетерминированных условиях на основе картографической базы данных или созданной модели рабочего пространства (РП) с учетом непрерывно поступающей информации от сенсоров и навигационной системы.
Сложность СУ определяется сложностью решаемой задачи, степенью неопределенности внешней среды и требуемой степенью автономности робота. СУ, как правило, имеет три уровня: верхний (стратегический), средний (тактический) и нижний (исполнительный). Каждый уровень обеспечивается встроенными механизмами планирования, адаптации, программного и сенсорного обеспечения. Взаимодействие уровней управления позволяет принимать решения на том уровне, который обладает наиболее достоверной информацией.
Функции человека в СУ определяют ее сложность. В роботах первого поколения оператор управляет MP на нижнем, исполнительном уровне. В роботах второго поколения управление нижнего уровня возложено на бортовую СУ роботом. Общим для роботов второго поколения является использование обратной связи по параметрам текущего состояния робота и состояния внешней среды. Третье поколение роботов оставляет человеку только стратегический уровень: система общения с оператором сводится к выдаче задания и принятию отчета о его выполнении. В этом случае СУ строится на основе использования принципов искусственного интеллекта. При этом, любой решаемый системой искусственного интеллекта класс задач или ситуаций, требует не только разработки специальных алгоритмов решения, но и специализированных технических средств - новых сенсоров, спецвычислителей и исполнительных органов.
На стыке современной теории управления и искусственного интеллекта активно формируется и развивается область, называемая интеллектуальным управлением.
Искусственным интеллектом считается раздел информатики, изучающий методы, способы и приемы моделирования и воспроизведения с помощью ЭВМ разумной деятельности человека, связанной с решением задач[137]. Применение методов искусственного интеллекта стимулировало создание управляющих систем, с более широкими возможностями решения задач, путем встраивания процедур распознавания образов, планирования действий, технологий нейронных сетей, создания экспертных систем, систем основанных на знаниях (в форме нечетких и других правил) [36].В настоящее время наиболее целесообразной представляется разработка комбинированных систем с возможностями автоматического и дистанционного супервизорного управления. Исключение человека из процесса непосредствен-
ного управления резко сокращает объем передаваемой через эфир информации, а возможность его вмешательства в сложных ситуациях расширяет круг решаемых задач. Программа движений мобильного робота должна быть гибкой и перестраиваемой в зависимости от результатов измерений параметров окружающей среды и идентификации находящихся там объектов.
б). Сферы применения и разновидности мобильных роботов. К основным сферам перспективного применения мобильных роботов относятся:
• обслуживание человека в офисах, больницах, на дому;
• социальные услуги: уход за инвалидами и пожилыми людьми;
• строительство и обслуживание высотных зданий;
• промышленность: контроль, охрана, обслуживание, безопасность;
• лесопереработка: рубка леса и обработка древесины, посадка деревьев;
• горнодобывающая промышленность: подземные выработки;
• сельское хозяйство: распыление химических удобрений, борьба с вредителями, сбор плодов, обработка земли;
• ремонт судов, погрузочно-разгрузочные работы на кораблях;
• освоение морских ресурсов: глубоководная разведка, строительство и обслуживание буровых вышек, обследование подводных сооружений;
• проведение профилактических и ремонтных работ на предприятиях и объектах атомной, химической, нефтегазовой промышленности, обследование трубопроводов;
• ликвидация последствий техногенных аварий и катастроф, тушение пожаров, спасательные операции во время стихийных бедствий, аварий;
• обезвреживание взрывоопасных предметов при антитеррористических операциях и разминирование после военных конфликтов;
• научные исследования труднодоступных участков земной поверхности, поверхности других планет, в космосе;
• выполнение технологических операций на большом пространстве (например, уборка помещений), в т.ч. связанных с повышенным риском или с работой в экстремальных условиях (повышенная радиация, давление);
• замена человека на непопулярных работах.
В настоящее время сложилось несколько направлений развития мобильной робототехники (см. рис.1.2). Интенсивно развиваются сервисные роботы, которые должны ориентироваться и перемещаться в коридорах современных офисных зданий, взяв на себя все рутинные работы в офисах компаний (работы
секретарей, посыльных, уборщиков). Мобильные сервисные роботы могут использоваться для ухода за больными, престарелыми людьми и инвалидами на дому и в больницах, а также в сфере обслуживания.
В настоящее время, по аналогии с компьютерами, речь идет о разработке и широком внедрении персональных роботов. В США компанией «Evolution Robotics»разработан модульный персональный робот ER-2 [38] на базе серийного портативного ПК и универсальной колесной платформы, веб-камеры для сбора визуальной информации, блока управления, программного обеспечения и манипулятора (для захвата предметов). При движении робот использует метод визуальной навигации VSLAM (visual simultaneous localization and mapping). Поддерживающими программами предусматривается возможность перенастройки робота на дополнительные функции.
Мобильные роботы умеющие подниматься и спускаться по лестницам и оснащенные системой технического зрения, датчиками движения и температуры начинают широко использоваться в качестве ночных охранников.
Достаточно сложившееся направление развития робототехники это использование мобильных роботов в экстремальных средах и ситуациях[190]. Толчком к его развитию послужила авария на Чернобыльской АЭС, которая впервые предельно остро поставила вопрос о необходимости выполнения работ в подобных чрезвычайных ситуациях и высветила решающую роль в этом робототехники [190]. Например, ЦНИИ PTK была предложена концепция модульного построения роботов различного назначения — от легких роботов-разведчиков до тяжелых технологических роботов для уборки территории и кровель зданий станции от радиоактивных обломков взорвавшегося энергоблока. Было изготовлено 15 таких роботов, которые внесли существенный вклад в определение очагов радиационного поражения и устранение последствий этой катастрофы. Благодаря своей простоте, кабельному питанию и обмену информацией (длина кабеля - 200 м) эти роботы успешно работали даже в самых радиационно зараженных зонах, где мощность дозы превышала 20000 рентген в час [192]. В настоящее время создана целая гамма мобильных роботов [57, 164], которые могут производить радиационную разведку, участвовать в ликвидации последствий аварий на предприятиях атомной промышленности без участия личного состава. C целью повышения эффективности поиска радиоактивных предметов, проводятся исследования по созданию средств визуализации гамма- источников [58]. В частности, для роботов радиационной разведки [164, 172] разрабатываются системы, которые позволяют отобразить информацию о ме
стоположении источника ионизирующего излучения непосредственно на видеомониторе (картографирование), определить изотопный состав.
В ходе борьбы с терроризмом возникла необходимость в роботах, предназначенных для разминирования подозрительных предметов в местах скопления людей (например, в аэропортах или общественном транспорте). Остро нужны роботы, которые могут тушить пожары, что позволит спасти жизни многих пожарных. MP могут выполнять спасательные операции во время стихийных бедствий, ликвидировать аварийные ситуации при техногенных катастрофах. Активно разрабатываются и апробируются методы использования MP в военных целях для ведения разведки и управления боевыми операциями. Большие суммы расходуются на разработку беспилотных самолетов и вертолетов (для управления воздушным боем), а также наземных разведывательных MP.
В последние годы общими тенденциями развития техники и технологий является их миниатюризация и интеллектуализация, которая наблюдается также и в мобильной робототехнике. Например, в ЦНИИ PTK (г.СанктПетербург) разработана концепция миниатюризации и интеллектуализации на базе развития общих трехмерных (3D) микросистемных технологий и их основных компонентов - сенсорных, информационно-управляющих и исполнительных (силовых) [93]. Основными элементами этой концепции являются: трехмерные микротехнологии мехатронных модулей; интеллектуальные микроэлектронные нейронные модульные структуры обработки информации; микротехнологии сенорных модулей; микро- электромеханические системы приводов типа искусственных мышц.
Малогабаритные вертолеты (рис. 1.3) характеризуются существенно малой массой (до 50 кг) и габаритами, а в круг их задач входит визуальный и технический контроль обширных труднодоступных территорий, профилактический контроль местности и объектов, поиск людей и объектов, доставка медикамен-
тов и грузов. Наземные роботы-насекомые способны проникать в мельчайшие щели бункеров и уничтожать противника (рис. 1.4).
Автономные MP являются наиболее перспективными средствами освоения водных бассейнов. Такие аппараты могут плавать дальше и быстрее, чем телеуправляемые подводные роботы, способны обходить подводные препятствия, поскольку их не сдерживает тяжелый кабель. Они дешевле в эксплуатации, так как не требуют постоянного присутствия опытного инженера-оператора.
Подводные автономные роботы могут быть трех разновидностей [2, 5]:
• крабоподобного типа (для обслуживания кабелей, добычи полезных ископаемых, разминирования акватории);
• типа осьминогов, оснащенные несколькими манипуляторами (для осмотра, обслуживания и ремонта подводных конструкций, буровых установок, затонувших судов, линий связи и трубопроводов);
• акулоподобного типа, способные очень быстро перемещаться в толще воды (для подводных исследований и мониторинга водной среды, гидрографических съемок).
Российские автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) построенные Институтом проблем морских технологий ДВО РАН представляют собой комплекс автоматических самоходных носителей исследовательской аппаратуры разного назначения, способных погружаться в заданный район океана на глубины до 6 км, двигаться по программной траектории, выполнять требуемые работы и по окончанию программы возвращаться на обеспечивающее судно или береговую базу [2]. АНПА имеют скорость 1-2 м/с, массу 400 - 1300 кг, время автономной работы 4-35 часов. В качестве исследовательской аппаратуры на аппарате устанавливаются измерители параметров среды, фотовидеоаппаратура, обзорные гидролокаторы, геофизическая аппаратура (магнитометр, акустический профилограф, гравиметр). В конструкции роботов также использована модульная технология, позволяющая легко модернизировать аппарат под конкретную задачу.
Среди работ отечественных ученых в области теоретических и актуальных проблем подводной робототехники можно выделить работы по управлению подводными MP с оптимизацией энергозатрат [61, 197]. Данная проблема является нетривиальной и близка к кругу задач динамической оптимизации [1, 22, 146, 186, 197]. Можно отметить также комплекс работ по управлению подводными роботами, навигация которых определяется сочетанием бортовых автономных, гидроакустических и спутниковые систем навигации [84, 92, 179].
Мобильные роботы, оснащенные сенсорными системами, средствами и программами обработки данных, при дополнительном оснащении контрольнодиагностической аппаратурой идеально подходят для проведения инспекционных работ в экстремальных ситуациях, в опасных условиях или агрессивных средах, а также для проведения периодических контрольно-диагностических работ на ответственных объектах и сооружениях. К неоспоримым преимуществам таких роботов перед человеком-оператором, кроме вышеперечисленного, относится осуществление длительных и монотонных операций, требующих концентрации внимания; обработка и документирование большого объема контрольно-диагностической информации с помощью бортовых вычислительных средств и программ.
Использование мобильных роботов для определения технического состояния строительных конструкций, коммуникаций связи, трубопроводных систем является также перспективным и экономически оправданным направлением использования MP. В первую очередь это относится к строительным сооружениям: туннелям, мостам, вышкам, высотным зданиям. Мобильные роботы вертикального перемещения позволят обслуживать и инспектировать высотные здания, телевышки и ретрансляционные мачты, промышленные сооружения (резервуары, высотные трубы). Большие перспективы имеют мобильные роботы обслуживающие и инспектирующие трубопроводы (магистральные газо- нефте- топливопроводы), а также трубопроводы и коммуникации, в т.ч. подземные [60].
В качестве примера использования мобильных манипуляционных роботов с упругими манипуляторами большой длины можно привести мобильный манипуляционный робот «HADRIAN» (США) для взрывных и саперных работ 45
(рис. 1.5). В качестве примера космического манипулятора большой длины (15,2 м) можно привести манипулятор «ДУМС» (рис. 1.6) космического челнока «Спейс шаттл» (США) [135].
1.3.1.