RoboClub - Мобильные роботы

Where AI meet the real world

Закон больших задач Хоара. Внутри каждой большой задачи сидит маленькая, пытающаяся пробиться наружу.

Этот раздел полностью посвящен мобильным роботам, которые представляют собой автономные мобильные конструкции с бортовым вычислителем для выполнения заранее определенного набора задач.

Осьминог

Как известно, назначение мобильных роботов - самостоятельное перемещение в пространстве. Конструирование роботов, способных справляться с препятствиями на пересеченной местности без помощи человека, становится сложной задачи из-за того, что свойства поверхности не известны заранее и могут изменяться с течением времени. Задача планировщика маршрута – найти такую траекторию, которая обеспечит достижение конечного пункта и обход препятствий и позволит избежать застревания робота в любой точке маршрута. Следовательно, такой робот должен уметь оценивать свои возможности при решении, каким образом справляться с возникшим на его пути препятствием.

Использование тактильных колес

Тактильные датчики мобильного робота, способные идентифицировать препятствия, предоставляют больше информации об этих препятствиях, нежели только визуальные датчики; следовательно, робот может адаптировать свое поведение к типу поверхности. Основная идея заключается в создании тактильного колеса, с помощью которого робот может определить и локализовать физические контакты с поверхностью. В моторизованное колесо встроены 16 инфракрасных датчиков, которые измеряют деформацию шины, вызванную контактами с землей. Датчики зафиксированы на ступице колеса и не меняют положения при вращении колес.

Кроме того, робот может самостоятельно принимать решения, связанные с преодолением препятствий, основываясь на оценке своих возможностей, например: "это препятствие является слишком высоким, мне нужно найти другой путь"; "я застрял/перевернулся, мне нужно вызвать помощь" и т.д.

Двигательный механизм

Платформа для полезного груза и прикрепленные к ней с каждой стороны кронштейны, на которых закреплены колеса", связаны через пассивную дифференциальную передачу (т.е. могут двигаться с разными скоростями). Корпус и 2 "руки" соединены в моторизованную конфигурацию в виде параллелограмма. "Предплечья" связаны с "руками" моторизованным сочленением. К каждому "предплечью" прикреплено по два моторизованных колеса, предоставляющих информацию о контактах с предметами. Всего у робота 8 колес, 6 моторизованных и 1 пассивное сочленения, что в сумме дает 15 степеней свободы.

Подъем на ступени

Алгоритм преодоления ступеней выглядит следующим образом:

1. Робот перемещается в конфигурации, приспособленной к движению по ровной поверхности; центр тяжести при этом находится между центральными колесами.
2. Передние колеса дотрагиваются до ступени.
3. Переднее "предплечье" поднимается, в то время как робот продолжает движение до тех пор, пока второе колесо не коснется ступени.
4. Мотор заднего "предплечья" и моторизованный параллелограмм поднимают корпус, переднюю "руку", переднее "предплечье" и два передних колеса. Мотор переднего "предплечья" действует так, чтобы передние колеса последовательно двигались по профилю поверхности до достижения горизонтальной части ступени.
5. Робот продолжает движение до тех пор, пока третье колесо не коснется ступени.
6. В этот момент моторы двух "предплечий" поднимают корпус, две "руки" и два центральных колеса. Вес робота распределяется между двумя внешними колесами.
7. Второе колесо достигает горизонтальной части ступени до того, как последнее колесо касается вертикальной части ступени. Вес робота распределен между двумя передними колесами и последним колесом.
8. Мотор переднего "предплечья" и моторизованный параллелограмм поднимают корпус, заднюю "руку", заднее "предплечье" и задние колеса. Вес робота распределен между двумя передними колесами. Центр тяжести при этом находится снаружи от обеих точек контакта передних колес. В этом случае необходимо воздействие силы трения для предотвращения падения назад.
9. Третье колесо достигает горизонтальной части ступени. Заднее "предплечье" поднимается до тех пор, пока последнее колесо не достигнет верха ступени.
10. Алгоритм выполнен.

Модель и система управления робота

Для управления используется двухмерная статическая модель и контроллер. Входными данными для контроллера являются точки касания с поверхностью, геометрические углы сочленений и направление силы тяжести. Выходные данные – вращающие моменты колес и предплечий и заданные координаты положения корпуса. Если учитывать только одну сторону робота, то количество степеней свободы равно 7 (вращающие моменты, приложенные к колесам и предплечьям и положение корпуса). Единственное уравнение, которое должно быть выполнено для достижения равновесия на любом возможном типе поверхности, - линейное уравнение относительно вращающих моментов. Для минимизации отношения трения к нормальной контактной силе (коэффициента трения) используются оптимизационные методы. Одним из возможных решений является уравнивание этих отношений по абсолютному значению. Результирующее уравнение – полином четвертого порядка относительно коэффициента трения; все коэффициенты вычисляются исходя из измеренных приборами физических параметров робота, его конфигурации и точек контакта колес с почвой. Затем все вращающие моменты представляются в виде линейных выражений. Так как вычисления являются несложными, то поиск оптимального решения возможен в режиме реального времени.

Источник: Швейцарский федеральный технологический институт