Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

TRIBUN – robot pro práci pod vodní hladinou

Automa 1/2000

Dipl.-Ing. Matthias Blaschke,
Unterwassertechnikum Hannover,
Universität Hannover
(blaschke@uwth.uni-hannover.de)

TRIBUN – robot pro práci pod vodní hladinou

Manipulační technika v Institutu pro materiálový výzkum univerzity v Hannoveru
Institut pro materiálový výzkum univerzity v Hannoveru se kromě jiných úkolů již deset let zabývá také vývojem mobilních zařízení pro údržbářské, inspekční, servisní a likvidační práce. Do této kategorie technických zařízení patří také víceosé manipulátory, roboty šplhající po zdech (s kabelovým ovládáním) a roboty pro práci pod vodní hladinou (s kabelovým ovládáním i bez něj).

Ponorné roboty, které se objevují na trhu, jsou obvykle určeny jen pro několika specializovaných úkolů. Podvodní robot TRIBUN (Teilautonomes Robotersystem für Inspektion und Bearbeitung im Unterwassebereich, částečně autonomní robot pro inspekci a práci ve vodním prostředí) je ponorný robot, který se skládá z univerzálního nosiče a ze speciálních pohybových a nástrojových modulů. Díky nim může vykonávat pod vodou různé práce. V ideálním případě lze až na místě podle informací o charakteru práce, kterou bude třeba pod vodou vykonávat, zvolit optimální konfiguraci robotu.

Jaké jsou hlavní oblasti aplikace robotu TRIBUN? Jsou to především technické úlohy, při nichž je třeba montovat nebo kontrolovat zařízení pod vodní hladinou, např. v jaderném průmyslu, v přístavech, ve vodohospodářství. Robot může pracovat v prostředí s klidnou vodou nebo slabým vodním proudem. Může pod hladinou opticky kontrolovat určené zařízení, může měřit a sbírat data, odebírat vzorky (např. pro analýzu vody), zachraňovat drobné předměty spadlé pod vodu a vykonávat drobné montážní práce a opravy.

Podvodní robot FAUST III
Spolkové ministerstvo výzkumu vyhlásilo v osmdesátých letech úkol sestrojit robot, který bude umět pod vodní hladinou měřit, řezat a demontovat jaderná zařízení.

V rámci tohoto úkolu sestrojili pracovníci institutu robot FAUST III. Tento ponorný, dálkově řízený robot je určen pro vizuální kontrolu, měření, demontáž zařízení a vytahování demontovaných dílů z vody. Pohon robotu zabezpečuje osm nezávislých vrtulí a pásový pohon. Robot díky tomu může plavat všemi směry a pohybovat se i nad hladinou, šplhat po stěně vzhůru a dolů a přejíždět překážky.

Obsluha řídí robot pomocí počítače a šestiosého joysticku. Všechny napájecí i signálové vodiče jsou svedeny do jediného kabelu. Tento kabel slouží při výpadku systému také jako záchranné lano. Na dvouosém držáku mohou být upevněny různé nástroje: plazmový hořák schopný řezat ocel do tloušťky 30 mm, snímače nebo uchopovací hlavice s nosností 1 kg. Průběh práce může obsluha kontrolovat pomocí dvou videokamer. Tělo robotu je vyrobeno z hliníkové slitiny a jeho hmotnost je při rozměrech 790 × 700 × 305 mm přibližně jen 42 kg. Všechny elektronické komponenty jsou integrovány v centrální elektronické jednotce a všechny senzory a akční členy jsou pevně spojeny s tělem robotu.

Modulární podvodní robot TRIBUN
Kompaktní konstrukce a centrální řízení robotu Faust III vedou při jeho adaptaci pro konkrétní práci k určitým problémům. Přizpůsobení robotu není jednoduché a trvá poměrně dlouho. Proto byl vyvinut nový robot s názvem TRIBUN. Tento robot se na rozdíl od svého staršího bratra skládá ze samostatných modulů. Jednotlivé moduly jsou na sobě nezávislé a jejich vzájemnou kombinací lze vytvořit zařízení podle požadavků konkrétní aplikace.

Úplný modul robotu v sobě zahrnuje akční člen, resp. senzor, výkonovou elektroniku, řídicí obvody na bázi jednočipového mikropočítače a připojení na sběrnici. Modulární koncepce celého zařízení předpokládá, že bude využito nových metod i pro řízení robotu. Decentrálně je řešeno také elektrické napájení modulů. Moduly lze na centrální sběrnici zapojovat i za provozu (plug and play). To s sebou přináší podstatné zkrácení doby přípravy robotu k činnosti a usnadnění jeho údržby.

Obr. 1.

Jako sběrnice se používá CAN, protože vyhovuje nárokům na řízení v reálném čase, umožňuje realizovat zapojení v režimu multimaster a časové i finanční náklady na kabeláž jsou nízké.

Díky důslednému dodržování modulární koncepce robotu a připojení všech modulů na jednotnou sběrnici jsou možnosti zařízení téměř neomezené. Je volně konfigurovatelné a lze na něj připojit nejrůznější manipulační prvky.

Trup robotu TRIBUN
Trup robotu je tvořen válcovým hliníkovým tělesem o průměru 210 mm. Na jednom konci je trup uzavřen polokoulí z organického skla. V jejím středu je stereoskopický kamerový systém. Obraz obou kamer je zobrazován současně na dvou displejích, jež jsou umístěny na zobrazovací přilbě (head-mounted display). Zaměření kamer je řízeno pohyby hlavy obsluhy. Řízení kamer je tak jednoduché, že pro ně není třeba žádný joystick ani klávesnice.

Zadní konec robotu je utěsněn rychlouzávěrem. Na obvodu trupu jsou čtyři multifunkční lišty. Jsou namontované podél osy trupu a na každé liště je pět upevňovacích bodů pro umístění funkčních modulů. Upevňovací body zabezpečují přívod napájení i řídicích signálů do modulů a současně je na nich modul upevněn i mechanicky. Před vniknutím vlhkosti k elektrickým kontaktům, znečištěním a poškozením jsou upevňovací body chráněny uzávěry. Kromě toho obsahuje každý upevňovací bod kód, podle kterého po nasunutí řídicí jednotka modulu pozná, na jakou pozici byl modul nasunut. Modul lze na upevňovací bod nasunout i dálkově. To je výhodné tam, kde by jinak při konfiguraci zařízení pro jinou úlohu bylo nutné robot před montáží nového modulu dekontaminovat (např. u již zmíněných jaderných zařízení).

Kromě toho je v trupu robotu zařízení pro snímání polohy. Další snímač je určen pro drobné korektury polohy, které jsou nutné např. při sbírání malých předmětů. V trupu je také tlakový senzor, který poskytuje informaci o hloubce, v níž se robot nachází. Ultrazvukové senzory umožňují robotu získat informace o okolním prostředí a orientovat se v něm.

Pohony s řiditelnými otáčkami umožňují vyvinout určenou posuvovou sílu. Tyto pohony se na robot montují stejně jako jiné moduly na upevňovací body.

Obr. 2.

Nástroje robota TRIBUN
TRIBUN může nést nejrůznější nástroje. Tyto nástroje se na trup robotu upevňují jako externí moduly.

Jedním z modulů je rameno. Modulární, víceosé rameno robotu s hydraulickými pohony dovoluje manipulovat s drobnými předměty nebo může nést senzory. Rameno je optimalizováno pro pohyb pod vodou tak, aby na ně vztlaková síla měla jen minimální vliv.

Fixační rám je koncipovaný jako dvojosý lineární mechanismus. Pohyb ve dvou osách je realizován krokovými motory a převodem ozubeným řemenem. Rám je vybaven čtyřmi vakuovými úchopnými prvky. Dovoluje vykonávat přesné pracovní operace v pracovním rozsahu přibližně 500 × 500 mm. Může být pevně spojen s trupem robotu a jeho pomocí lze robot fixovat na rovné nebo mírně klenuté ploše. To umožňuje robotu vykonávat i takové práce, při nichž na něj působí velká reakční síla. Ustavovací rám může pracovat i jako samostatná jednotka: rám s ramenem je ustaven do požadované pracovní polohy, fixuje se pomocí přísavek, potom se od něj robot oddělí a rám s ramenem vykonává určenou práci, přičemž volně plovoucí robot může na tuto práci dohlížet.

Řízení a obsluha robotu
Vysoká modularita systému klade velké nároky na software řídicího počítače, který musí být schopný přizpůsobit se každé konfiguraci robota. Řídicí program je objektově orientován, pracuje pod Windows NT a využívá uživatelské rozhraní tohoto operačního systému. Robot lze řídit a konfigurovat pomocí stolního i přenosného počítače. V uživatelském grafickém rozhraní jsou přístupné všechny funkce pro spuštění i řízení provozu jednotlivých modulů, konfiguraci celého systému, vizualizaci, simulaci i zobrazení pracovního prostředí. K samotnému ovládání robotu není počítač nutný, stačí šestiosý joystick.

Simulace a zacvičení obsluhy
K simulaci je nutný software, který umí na základě matematických metod simulovat pohyby robotu, ale k dispozici musí být také údaje o hmotnostech modulů, jejich momentech setrvačnosti, hydrodynamických odporech a silách vyvinutých vrtulemi robotu. Zatímco stanovit hmotnosti a momenty setrvačnosti je jednoduché, určit hydrodynamické odpory představuje složitý a komplexní problém.

Obr. 3.

Cílem simulace je optimalizovat pohyb robotu pro vykonávání zadané úlohy. Simulace pohybů ve spojení s virtuálním modelem pracovního prostředí je však základní pomůcku pro zacvičování obsluhy robotu.

Pro pokusné účely byl vyvinut ponorný robot MOBUS II. Tento robot umožňuje měřit hydrodynamické odpory pro různé konfigurace robotu a pro různé směry a síly proudu. Je možné určit celkový odpor, vliv jednotlivých modulů na celkový odpor a porovnat změřené údaje s vypočtenými. Získané výsledky potom slouží nejen pro simulaci pohybu robotu TRIBUN, ale i pro jeho další konstrukční vývoj.

Další vývoj robotu
V dalším vývoji se počítá s růstem stupně autonomie jednotlivých modulů a s ulehčením řízení robotu tak, aby se obsluha mohla plně věnovat uskutečňování požadovaných úloh a řízení pohybu a polohy robotu bylo plně automatické.