<<
>>

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 передается

интеллектуальной 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.

<< | >>
Источник: ЛУКЬЯНОВ АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОБЛЕМЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ДВИЖЕНИЯ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ МАНИПУЛЯЦИОННЫХ РОБОТОВ. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук. Иркутск - 2005. 2005

Еще по теме Разновидности и области использования мобильных роботов: