Lokomoční ústrojí mobilních robotů pro nestrojírenské aplikace

Lokomoční ústrojí mobilních robotů pro nestrojírenské aplikace

Cílem článku je ukázat možnosti využití servisních robotů ve vnitřním a venkovním prostředí se zaměřením na lokomoční ústrojí (podvozek). Pozornost bude věnována především robotům na kolovém podvozku.

Uplatnění servisních robotů v nestrojírenských oblastech
Trendy současného světového vývoje v oblasti mobilních a servisních robotů ukazují na značně široké spektrum možností jejich uplatnění. Na rozdíl od průmyslových robotů nacházejí využití především v nestrojírenských oblastech. Je to zřejmé už z toho, že servisní roboty jsou definovány jako technická zařízení, která se podílejí na nevýrobních činnostech. To znamená, že jsou nasazovány především v oblasti služeb a uspokojování nejrůznějších potřeb lidí nebo firem.

Různorodost a kvalita vykonávaných úloh (činností) se odrážejí ve velkém rozptylu požadavků na servisní roboty, které jsou na ně kladeny v souvislosti s prováděním těchto úloh. To vše klade velké nároky na jejich design, vybavenost potřebnými pohony, senzory, na způsob řízení, komunikaci s okolním prostředím apod.

Základním faktorem, který bude mít vliv na konstrukci, parametry a chování servisního robotu, je prostředí, ve kterém se bude pohybovat. Zde lze uvést dva základní typy prostředí: venkovní (outdoor) a vnitřní (indoor).

Pro venkovní prostředí je charakteristické, že se robot bude pohybovat mimo budovy v členitém terénu, jako jsou pole, lesy, skály či krátery, nebo může jít také o městský terén apod. Ve většině případů je to terén, ve kterém se člověk pohybuje velmi obtížně. Tuto oblast je možné rozšířit o pohyb robotu v zamořeném prostředí, podmořský výzkum, průzkum planet apod. Pro vnitřní prostředí je charakteristické, že se robot bude pohybovat pouze v budovách, rozsáhlých nádržích, vzduchovodech, potrubích a podobných prostorách [1].

Mobilní servisní roboty jsou obecně určeny pro vykonávání úloh v částečně známých nebo zcela neznámých prostředích s měnícími se scénami. V mnohých případech aplikací se již dnes požaduje autonomní chování servisního robotu. Autonomní činnost robotu je podmíněna využitím propracovaných rozhodovacích procesů a supervizorového nebo adaptivního řízení. Autonomní servisní roboty jsou technická zařízení schopná plánovat, interpretovat a provádět zadanou úlohu na základě činnosti řídicího systému a informací získaných z podsoustavy vnějších senzorů.

Lokomoční ústrojí
Lokomočním ústrojím se rozumí technický prostředek (podvozek) umožňující pohyb. Konstrukční řešení podvozků se odvozuje od různých principů a řešení jednotlivých detailů [2]. Rozdělení konstrukčních skupin podvozků pro mobilní servisní roboty je znázorněno na obr. 1.

Mobilní servisní roboty mohou být dráhového nebo terminálového typu, tj. s lokálním nebo globálním řízením v reálném čase. Podle toho je nutné připravit matematický model pro dané prostředí, ve kterém se bude robot pohybovat, a pro daný čas činnosti. Od moderních servisních robotů se vyžadují schopnosti jako vyhýbání se náhodným překážkám, přemístění se do cílového bodu s požadovanou přesností, kopírování terénu určité třídy, počítačová analýza daného prostředí včetně cílového bodu apod. Ke splnění těchto požadavků je zapotřebí, aby podvozek robotu měl dobré manévrovací schopnosti (otáčení na místě okolo svislé osy, zatáčení v ostrém úhlu apod.). Pro různé oblasti jsou charakteristické různé typy podvozku robotu [3].

Co se týče nestrojírenských oborů, lze uvést např. zdravotnictví, stavebnictví, vojenství, zemědělství, lesnictví apod. Specifickou oblastí z hlediska požadavku na konstrukci a parametry servisních robotů je průzkum povrchu planet (kosmický prostor) a průzkum pod vodní hladinou. Každá z těchto oblastí má svá specifika a uplatnění v nich mohou najít mobilní servisní roboty s různým lokomočním ústrojím. V takto definovaných nestrojírenských odvětvích se vyskytují různé typy úloh (činností), které lze obecně rozdělit do tří skupin:

• úlohy technologického charakteru pro nevýrobní operace,
• úlohy netechnologického charakteru – manipulační operace,
• úlohy pomocného charakteru (pomocné operace).

Servisní roboty na kolovém podvozku
Roboty na kolovém podvozku se vyznačují dobrou schopností manévrovat a překonávat různé druhy překážek. Kolové podvozky jsou nejčastěji tříkolové, čtyřkolové nebo šestikolové. Dvoukolové a více než šestikolové servisní roboty se využívají zřídka, spíše pro výzkumné účely.

Tříkolové a čtyřkolové podvozky
Tříkolové a čtyřkolové mobilní servisní roboty lze rozdělit na diferenčně řízené roboty, roboty s více stupni volnosti, roboty řízené Ackermanovým způsobem a synchronně řízené roboty.

Diferenčně řízené roboty se vyznačují tím, že mají nezávisle poháněná dvě kola a vpředu (popř. vzadu) volně otočné nepoháněné směrové kolo (popř. kola). Příkladem tohoto typu může být mobilní robot Max 97 – robotický vysavač [5]. Roboty s více stupni volnosti mají uprostřed dvě řízená a poháněná kola a vpředu a vzadu po dvou pomocných kolech. Roboty tohoto typu mohou vykonávat i velmi nezvyklé pohyby. Tříkolový robot řízený Ackermanovým způsobem má jedno poháněné kolo a dvě kola řiditelná nebo dvě poháněná a jedno řiditelné. Pro čtyřkolový robot řízený tímto způsobem platí, že má dvě poháněná kola, která musí být vybavena mechanickým nebo elektrickým diferenciálem, a vpředu (popř. vzadu) otočná nepoháněná kola. Příkladem tohoto typu robotu je mobilní robot Arobot firmy Arrick Robotics (obr. 2, [6]). Synchronně řízené roboty jsou opatřeny třemi nebo čtyřmi koly, přičemž všechna jsou poháněna a řízena tak, že mají navzájem stále stejné natočení a rychlost. Pro natáčení kol se používá společný hnací řetěz a jeden společný řetěz k pohonu kol. Mobilní roboty s těmito typy podvozků nacházejí uplatnění ve venkovním prostředí.

Také na katedře robototechniky VŠB-TU Ostrava se touto problematikou zabýváme a jedním z aktuálních úkolů je výroba a vyzkoušení podvozku pro servisní robot operující ve venkovním prostředí. Pro ověření možnosti řízení a použití takovéhoto robotu v předepsaných podmínkách, vyzkoušení jeho manévrovacích schopností, schopností překonávat malé překážky a mnoha dalších důležitých parametrů byl navržen podvozek s elektrickými pohony a dálkovým řízením. Podvozek je navržen jako čtyřkolový se dvěma poháněnými koly a dvěma opěrnými koly s možností samovolného natáčení do požadovaného směru. Jde tedy o diferenčně řízený robot.

Řízení zmíněného robotu je realizováno rozdílnými rychlostmi otáčení každého kola, popř. opačným směrem jejich otáčení. Uvedené řešení umožňuje otáčení robotu na místě kolem svislé osy, což je výhodou zejména při jeho manévrování v těsných prostorách nebo v koutech místnosti. Z tohoto důvodu byl zvolen kruhový tvar půdorysného průmětu podvozku (resp. nosné desky základního rámu). Celá koncepce mobilního robotu předpokládá sendvičové uspořádání technologické nástavby, která by měla kopírovat kruhový půdorys.

Bezpečnost provozu budou zajišťovat kontaktní segmenty umístěné ve spodní části podvozku, které při nárazu na překážku okamžitě zastavují pojezd. Kromě těchto kontaktních senzorů bude podvozek vybaven bezkontaktními senzory, vyhodnocujícími situaci v prostoru okolo podvozku do jisté vzdálenosti. Schéma modelu podvozku je znázorněno na obr. 3. Na obrázku je ukázána také pohonná jednotka a její upevnění souose s poháněným kolem, na přírubě našroubované na náboji konzoly, ve které je uložena hřídel s poháněným kolem [4].

Příklad jiného modelu čtyřkolového podvozku na katedře robototechniky VŠB-TU Ostrava se samostatným pohonem každého kola a možností natáčení robotu okolo svislé osy je znázorněn na obr. 4.

Šestikolové mobilní roboty lze zařadit do zvláštní skupiny, protože jsou stejně jako pásové podvozky řízeny smykem, popř. mají řízena přední dvě a zadní dvě kola. Tyto konstrukce podvozků se používají převážně pro venkovní prostředí, protože dokážou zdolávat členitější terén a nerovnosti. Jelikož jsou sestrojovány pro venkovní prostředí, vyžadují i odpovídající pohony. Roboty se šestikolovým podvozkem se úspěšně využívají také k průzkumu povrchu planet. Příkladem může být šestikolový mobilní robot Sojourner (obr. 5) nebo prototyp šestikolového robotu pro rok 2003 Flight rover [7].

Šestikolové podvozky
Šestikolové podvozky se pro vnitřní prostředí v podstatě nepoužívají. Technickou a technologickou převahu v této oblasti zcela jednoznačně má americká společnost pro výzkum vesmíru NASA. Jako příklad univerzity, která se zabývá výzkumem a vývojem šestikolových mobilních robotů, lze uvést francouzskou Laboratory for Analysis and Architecture of Systems (LAAS), která zkonstruovala několik těchto robotů. Příkladem může být mobilní robot Lama (obr. 6, [8]). V současnosti jsou mobilní roboty na šestikolovém podvozku využívány také v jaderném nebo chemickém průmyslu a v neposlední řadě i v těžebním průmyslu.

Speciální kolové podvozky pro mobilní a servisní roboty
Do skupiny kolových podvozků pro servisní roboty se zahrnují také podvozky, které využívají speciální kola, jako jsou všesměrová kola, Weinsteinova kola a článkové pojezdy, kola MaxWheel, šnekové podvozky nebo kola robotů zdolávajících svislé překážky.

Tento článek prezentuje odborné poznatky získané při řešení grantového projektu číslo J17/98:272300008, podporovaného z fondu pro rozvoj vysokých škol MŠMT, 2002.

Ing. Ladislav Kárník, CSc.,
Fakulta strojní VŠB-TU v Ostravě
(ladislav.karnik@vsb.cz)