Robot hipermobilny OmniTread - Pomiary Automatyka Robotyka

Pomiary Automatyka Robotyka 6/2005
Robot hipermobilny OmniTread
Konstruowanie robotów hipermobilnych jest zagadnieniem stosunkowo nowym i jest
prowadzone w niewielu ośrodkach na świecie, artykuł jest jedną z pierwszych prób
usystematyzowania tej grupy robotów mobilnych. Jest również pierwszym polskojęzycznym artykułem wprowadzającym nazewnictwo i podział przegubowych robotów mobilnych.
Grzegorz Granosik *
Z
acznijmy od wyjaśnienia, czym jest tytułowy
robot hipermobilny. W języku polskim przedrostek hiper- pochodzący z greki oznacza nadmiar,
nadwyżkę czegoś, co jest określone w drugiej części wyrazu [23]. Zatem w stosunku do robotów oznacza nadmiar mobilności, ruchliwości, co może być rozumiane
jako redundancja stopni swobody. W języku angielskim
przedrostek hyper– może nadawać wyrazowi jeszcze
inne znaczenia: wykraczający poza (beyond) lub nad
(above), a zatem może podkreślać wyjątkowość (superiority) danej cechy, tutaj mobilności [22]. Jak pokażę
w artykule, roboty hipermobilne mogą łączyć w sobie
wszystkie te właściwości. A ponadto istnienie lub nie
danej cechy pozwala wprowadzić klasyfikację przegubowych robotów mobilnych, do których należą roboty
hipermobilne, jak pokazano w tabeli 1.
Projektowanie, konstruowanie i badanie robotów hipermobilnych wynika z zapotrzebowania na roboty,
które mają dwie zasadnicze właściwości:
mogą poruszać się w dowolnie trudnym terenie zarówno naturalnym, jak i zurbanizowanym, a szczególnie w ruinach budowli
potrafią prześlizgnąć się przez wąskie szczeliny, jakie
często powstają w gruzowiskach, oraz mogą poruszać się wewnątrz rur, np. kanalizacyjnych.
Zapotrzebowanie na roboty hipermobilne wynika
nie tylko z chęci badania ich właściwości oraz testowania algorytmów sterowania, ale przede wszystkim
z istnienia konkretnych aplikacji wymagających właśnie takich robotów.
W Japonii, kraju cierpiącym najczęściej z powodu
trzęsień ziemi, z inicjatywy rządowej w 2002 r. powstał
Tabela 1. Podział przegubowych robotów mobilnych
Złącza aktywne
Zewnętrzne elementy napędowe: koła, gąsienice, nogi
Ruch postępowy generowany
przez ruchy ciała robota
Roboty hipermobilne (hypermobile robots):
Roboty wężowe (snake-like robots):
Robot OmniTread
Robot OmniPede
Robot ACM
Robot Moira
Robot Kohga
Robot Soryu
Slim Slime Robot
Robot Snake 2
Złącza pasywne
Robot MAKROplus
Robot Genbu 3 (active wheels – passive joints robots)
Brak możliwości skonstruowania robota
mobilnego o takich cechach
* dr inż. Grzegorz Granosik – Instytut Automatyki, Politechnika Łódzka
6
Robot ACM-R3
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2005
International Rescue System Institute. Jednym z jego
działań jest koordynacja badań nad robotami poszukiwawczo-ratunkowymi używanymi w ruinach budynków. W ramach tego programu powstały dwa roboty
typu gąsienica (worm-like): Moira [18] i Kohga [11].
Robot Moira jest pod względem funkcjonalności
i mobilności najbardziej zbliżony do robota OmniTread.
Powstawał w tym samym czasie, lecz badania były zupełnie niezależne. Robot Moira składa się z czterech segmentów, każdy z nich ma dwie gąsienice umieszczone
na każdej z czterech stron. Segmenty są połączone złączami o 2 stopniach swobody (2 DOF) napędzanymi za
pomocą siłowników pneumatycznych, co powoduje,
że długości segmentów i złączy robota są prawie takie
same. Biorąc pod uwagę doświadczenia własne zdobyte
w projekcie OmniTread oraz przykłady innych robotów
prezentowanych w artykule, wydaje się, że taka relacja
długości segmentu i złącza może prowadzić do zablokowania robota na niektórych przeszkodach. Autorzy
[18] zaprezentowali jednakże zdolność robota do poruszania się w trudnym terenie, a osiągnięte wyniki są
zbliżone do uzyskanych przez OmniTread.
Z kolei robot Kohga jest przykładem szeregowego połączenia 8 segmentów, z których 6 stanowią pojazdy
gąsienicowe różnej wielkości, zaś skrajne mają wbudowane kamery dające wizyjne sprzężenie zwrotne.
Ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie właśnie
dwóch kamer, z których jedna daje klasyczny obraz
z frontowego segmentu (nose camera), zaś druga daje
obraz robota i przestrzeni przed nim w widoku z góry
i z tyłu robota. Możliwe jest to dzięki uniesieniu tylnego
segmentu do góry i ustawieniu ponad robotem, podobnie jak ogon skorpiona. Jak wykazały badania autorów
[11] wykorzystanie obrazów z obu kamer istotnie ułatwia zadanie teleoperacji robota przegubowego. W konstrukcji robota Kohga wykorzystano kombinację złączy
aktywnych i pasywnych, co zapewnia dobry kontakt
robota z podłożem i przesuwanie się nawet w trudnym
terenie, jednak ogranicza możliwości manewrowania
oraz wykonywania pewnych zadań, np. pokonywania
relatywnie szerokich rowów.
Prześledźmy bardziej szczegółowo historię badań
nad robotami przegubowymi na przykładzie wybranych konstrukcji. Badania takie skupiają się zasadniczo
w trzech krajach: Japonii, USA i Niemczech.
W Japonii, już w latach 60. ub. wieku prof. Shigeo
Hirose z Tokyo Institute of Technology rozpoczął pionierskie badania nad robotami wężowymi (snake-like),
konstruując robota ACM (Active Cord Mechanism) naśladującego ruchy węża na płaskiej powierzchni. Najnowsza wersja tego robota o nazwie ACM-R3 potrafi
imitować ruchy węża w przestrzeni, co istotnie poprawia mobilność robota w trudnym terenie [16].
Z tego ośrodka pochodzi także robot SSR-II (Slim
Slime Robot) będący w stanie zarówno naśladować
węża (ciało robota kreśli na powierzchni krzywą zbliżoną do sinusoidy) lub dżdżownicę (złącza robota sekwencyjnie zmieniają swoją długość), jak i toczyć się
[1]. W złączach tego robota zastosowano napęd pneumatyczny w postaci metalowych mieszków.
Zespół profesora Hirose jest pionierem także w konstrukcji robotów typu gąsienica (worm-like, zwanych
również serpentine). Hirose i Morishima (1990) zaprezentowali robota KR-I, a rok później wersję KR-II [10].
Pierwszy robot typu gąsienica był duży i ciężki (ponad
350 kg). Składał się z szeregu cylindrycznych (pionowo
ustawionych) segmentów, poruszających się na gąsienicach (kołach w wersji KR-II) i połączonych ze sobą
na kształt pociągu. Pryzmatyczne złącza umożliwiały
wzajemne unoszenie sąsiadujących segmentów i pokonywanie stopni lub przerw.
Kolejny robot hipermobilny zespołu Takayama i Hirose (2000) o nazwie Soryu składa się z trzech pojazdów
gąsienicowych połączonych za pomocą aktywnych
złączy o 2 DOF każde. Złącza są napędzane przez przekładnie śrubowe, a ich ruchy są zsynchronizowane. Pojazdy mają po dwie gąsienice i napędza je jeden silnik
umieszczony w centralnym segmencie.
Wartym uwagi jest robot Genbu 3 [12] będący jedynym przedstawicielem grupy robotów przegubowych
o aktywnych kołach i pasywnych złączach. Robot ten zaprojektowano jako pożarniczy do aktywnego transportu
i sterowania wężem strażackim. Stabilność i mobilność
robota w trudnym terenie zapewniają specjalnie skonstruowane i indywidualnie napędzane koła o średnicy
250 mm oraz pasywne zintegrowane złącza o 2 DOF
(obrotowo-pryzmatyczne). Istotnym uzupełnieniem jest
układ sterowania robota ze sprzężeniem od położeń i sił
w złączach, prędkości i momentów w kołach oraz z automatycznym wykrywaniem i wyprowadzaniem robota
z kolizji z otoczeniem [13].
W Europie prace badawczo-rozwojowe nad wykorzystaniem robotów przegubowych były prowadzone od
połowy lat 90. w Krajowym Centrum Badawczym GMD
(Niemcy), gdzie Paap i in. (1996) skonstruowali robota
wężowego GMD-Snake. Kolejna wersja Snake2 [14] to
pojazd inspekcyjny typu gąsienica składający się z 6
segmentów i głowy. Każdy z walcowatych segmentów
ma 12 kół o napędzie elektrycznym rozmieszczonych
równomiernie na obwodzie. Zapewniają one przesuw
robota niezależnie od jego orientacji. Segmenty są
połączone złączami uniwersalnymi poruszanymi linkami i trzema dodatkowymi silnikami elektrycznymi.
Snake2 ma 6 czujników zbliżeniowych podczerwieni,
3 czujniki momentu, czujnik przechylenia, 2 czujniki
położenia w każdym segmencie oraz kamerę. Jeszcze
inny robot do inspekcji rur został skonstruowany przez
Scholla i in. (2000) w Forschungszentrum Informatik
(FZI). Segmenty są napędzane jedynie przez dwa koła,
złącza zaś mają bardziej zwartą konstrukcję i bezcięgnowy napęd. Robot ma podobny zestaw czujników jak
Snake2. Segmenty oraz złącza mają jednakową długość
20 cm. Robot może pokonywać nawet ciasne zakręty
do 90° oraz progi wysokości do 55 cm. Prace wdrożeniowe oraz dalsze badania nad robotami do inspekcji
rur kanalizacyjnych są prowadzone w kilku niemieckich instytucjach badawczych w ramach wspólnego
projektu MAKROplus [24].
W Stanach Zjednoczonych badania nad robotami
wężowymi rozpoczęły się na początku lat 90. skonstru-
7
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2005
owaniem przez Chirikjiana i Burdicka [4] wężowego
manipulatora Caltech Snake Manipulator. Shan i Koren
w roku 1993 zaprojektowali dwie wersje robota wężowego, zwanego Michigan Snake (MS) 1 i MS 2 poruszającego się na płaszczyźnie. Desai i in. [5] skonstruowali
robota wężowego Kaa składającego się z jednego segmentu centralnego i 12 mniejszych segmentów rozmieszczonych po sześć po jego obu stronach. Te dwie
grupy segmentów mogą realizować funkcję chwytania poprzez owinięcie się np. na rurze i w ten sposób
dostarczają punkt podparcia pomocny do przemieszczania się robota. Przy braku punktu podparcia robot
może przemieszczać się przez propagację ruchu falowego segmentów. Muth i Grant [17] opracowali robota
MOCASIN II poruszającego się wewnątrz rur. Robot
ten używa siłowników pneumatycznych w złączach do
przemieszczania segmentów oraz innych siłowników
do zakotwiczania segmentów robota w danej pozycji
wewnątrz rury. Robot MOCASIN II stanowi kolejny
przykład zastosowania napędów pneumatycznych
w robotach hipermobilnych. Pomysł połączenia wielu
pojazdów gąsienicowych jak wagoników pociągu wykorzystali Brown i in. [3] z Universytetu Carnegie Mellon w konstrukcji robota Millibot Train. Robot składa
się z siedmiu bardzo kompaktowych, elektrycznie napędzanych segmentów. Średnica kół gąsienicowych
jest większa niż wysokość segmentu, co umożliwia
robotowi poruszanie się na górnej lub dolnej stronie.
Segmenty połączone są za pomocą złączy napędzanych
silnikami elektrycznymi z przekładniami harmonicznymi. Złącza generują duże momenty napędowe pozwalające robotowi na pokonywanie wysokich stopni
czy wspinanie się po schodach. Jednakże zastosowanie
w nich tylko jednego stopnia swobody mechanicznej (1
DOF) znacząco ogranicza mobilność tego robota.
Konstrukcja tytułowego robota OmniTread rozpoczęła się w połowie 2002 roku i była realizowana
w Laboratorium Robotów Mobilnych w University of
Michigan, Ann Arbor. Poprzedzona jednak była pracą
koncepcyjną trwającą od 1998 roku oraz projektem
i konstrukcją wielonożnego robota OmniPede [15],
imitującego sposób poruszania się krocionogów. Doświadczenie zdobyte podczas konstruowania i testów
robota OmniPede pozwoliło określić metody poprawy
mobilności oraz sprawności energetycznej tego typu
robotów. Pozwoliło także upewnić się w poprawności
i sensowności konstrukcji głównego napędu w postaci
tylko jednego silnika zapewniającego poruszanie się
całego robota.
Projekt robota OmniTread
Robot OmniTread ma dwie unikalne cechy wyróżniające go spośród innych robotów hipermobilnych opisanych w literaturze naukowej. Są to:
1) maksymalne pokrycie zewnętrznej powierzchni robota przez elementy napędzające (gąsienice)
2) zintegrowany napęd złączy z wykorzystaniem mieszków pneumatycznych.
8
Całkowite pokrycie robota elementami
napędowymi
To opatentowane rozwiązanie techniczne czyni naszego robota niewrażliwym na przekręcanie wokół
wzdłużnej osi symetrii (rolling over) – zjawisko takie
jest praktycznie nieuniknione dla robota o wydłużonym ciele poruszającego się w trudnym (urozmaiconym) terenie. Ponadto użycie szerokich gumowych
gąsienic na każdej bocznej ścianie segmentu robota wynika z zastosowanej metodologii projektowania napędu
robotów hipermobilnych, wymagającej zastosowania
elementów napędzających na możliwie największej powierzchni robota. Aby matematycznie wyrazić to wymaganie wprowadzamy bezwymiarowy współczynnik
napędowy Pr. Współczynnik ten wyraża iloraz pola powierzchni zewnętrznej robota wyposażonej w elementy napędowe Ap (propulsion area) do pozostałego pola
powierzchni zewnętrznej Ai (inert area):
Pr = Ap/Ai
Ap wyraża sumę pól powierzchni zewnętrznych robota, które w kontakcie z otoczeniem powodują przesuw robota w kierunku zamierzonego ruchu. Zaś Ai to
suma pól powierzchni biernych, które takiego przesuwu nie powodują. Należy zwrócić uwagę, że kontakt
powierzchni biernej z otoczeniem nie tylko nie wspomaga przemieszczenia robota w kierunku zamierzonego ruchu, ale spowalnia ten ruch poprzez dodatkowe
tarcie lub wręcz może doprowadzić do zablokowania
robota. Może także występować taka konfiguracja elementów napędowych, jak przy gąsienicach robotów
Kohga i Soryu. W tej konfiguracji gąsienice na górnej
stronie robota poruszają się w przeciwnym kierunku
niż na dolnej. W takim przypadku równoczesny kontakt
górnej i dolnej strony robota z otoczeniem powoduje
zablokowanie ruchu. Taka sytuacja występuje np. gdy
robot przedziera się przez gęste zarośla, jak pokazano
na fot. 1 (po lewej). Robot OmniTread radził sobie z takim zadaniem doskonale, dzięki umieszczeniu gąsienic
na każdej stronie wszystkich segmentów. Boczne gąsienice okazały się także pomocne podczas poruszania się
po kamienistym podłożu, jak pokazano na fot. 1 (po
prawej), ich kontakt z kamieniami wspomagał ruch
robota do przodu. Należy pamiętać, że Pr jest funkcją
nie tylko geometrii robota, ale także jego aplikacji. Np.
na płaskim i twardym terenie Pr dla wielonożnego robota OmniPede jest nieskończenie duże, ponieważ nogi
w sposób naturalny odsuwają ciało robota od ziemi.
Żadna z biernych części robota nie jest w stanie dotknąć ziemi, a zatem Ai = 0. Jednakże w miękkim gruncie nogi będą się zapadały, zaś w terenie urozmaiconym
niewielkie przeszkody mogą między nogami sięgać
biernej powierzchni robota. W takim wypadku wartość
współczynnika napędowego Pr istotnie się zmniejsza.
Najczęściej jednak możemy powiedzieć, że roboty, dla
których wartość współczynnika napędowego jest duża,
mają większe szanse na pokonanie trudnego terenu bez
nieoczekiwanych zatrzymań (blokad ruchu).
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2005
Fot. 1. OmniTread przedzierający się przez gęste krzewy (po
lewej). Każda strona robota ma ciągły kontakt z otoczeniem. OmniTread podczas pokonywania rumowiska (po
prawej); wielokrotnie obserwowaliśmy sytuację, w której robot napierał bokiem na skały
Fot. 2. Om n iTread rozpo czynający unoszenie
przednich segmentów w celu sięgnięcia
ś c i a n k i p o pr a we j
stronie. Ścianka rozpoczyna się dopiero
na pewnej wysokości,
więc robot nie może
„wjechać” na nią
Fot. 3. OmniTread pokonujący rów o szerokości
równej połowie swojej długości
Dlatego przy konstruowaniu robota OmniTread,
oprócz wspomnianego wcześniej zastosowania szerokich gąsienic z każdej strony robota, poświęciliśmy
szczególną uwagę zagadnieniu minimalizacji przestrzeni złączy, które z natury stanowią powierzchnię
bierną w rozumieniu współczynnika napędowego. Metodologia projektowania złączy robota hipermobilnego
zostanie przedstawiona dalej.
Napęd złączy
Podczas prac projektowych nad robotami hipermobilnymi dużą część czasu poświęciliśmy analizie cech,
jakimi powinny się charakteryzować złącza takiego
robota. Sformułowaliśmy cztery najbardziej istotne
wymagania stawiane napędowi złączy robota hipermobilnego:
1. Roboty hipermobilne, a także wężowe są względnie długie w porównaniu z ich średnicą. Dzięki temu
przednie (lub tylne) segmenty mogą być uniesione wysoko, aby dosięgnąć przeszkody (jak na fot. 2) lub sięgnąć ponad nią, ale jednocześnie robot może wśliznąć
się w małe otwory. Uniesienie przednich segmentów
wymaga wyjątkowo dużego momentu napędowego
w złączach, co jest szczególnie trudne do uzyskania
w robocie o niewielkim przekroju poprzecznym. Mała
średnica robota ogranicza długość ramienia siły generującej moment dźwigający przednie segmenty. Głównym
wymaganiem dla napędów złączy jest, aby generowały
moment wystarczający do podniesienia co najmniej
dwóch przednich (tylnych) segmentów robota.
2. Kolejnym ważnym postulatem jest, aby złącza robota
hipermobilnego były podatne i aby pozwoliły robotowi dopasować się do terenu, po którym się porusza.
Dzięki temu możemy mieć pewność, że maksymalnie
dużo segmentów ma ciągły kontakt z podłożem, a co za
tym idzie, generuje przesuw robota w efektywniejszy
sposób. Dobrym przykładem istoty tego postulatu jest
robot kołowy Genbu, w którym głównie dzięki podatnym, choć pasywnym złączom jest możliwe pokonywanie przeszkód większych niż średnica kół. Musimy
pamiętać, że klasyczne roboty kołowe są w stanie pokonać przeszkodę o wysokości będącej zwykle niewielką
częścią średnicy koła. Roboty, które nie mają podatnych
złączy, wymagają bardzo skomplikowanego systemu pomiaru sił kontaktowych oraz aktywnego sterowania
chwilową pozycją złączy w celu optymalizacji styku
segmentów z podłożem.
3. Niekiedy konieczne jest usztywnienie złączy, np.
celem sięgnięcia ponad przeszkodę lub podczas pokonywania rowu (fot. 3). Może być niezbędne ustawienie
mniejszej sztywności, np. gdy przedni segment napiera
na pionową ścianę popychany przez następne segmenty.
Postulujemy zatem, aby we wszystkich złączach robota
istniała możliwość płynnej regulacji sztywności mechanicznej lub przynajmniej nastawiania kilku wartości.
4. Złącza powinny zajmować jak najmniej miejsca, bowiem w myśl definicji współczynnika napędowego stanowią powierzchnię bierną. Postulujemy zatem, by tak
zwana przestrzeń złączowa była możliwie mała.
Ponadto dość oczywistą wydaje się potrzeba sterowania pozycyjnego w każdym złączu robota oraz
konieczność minimalizacji masy siłowników. Wyczerpująca analiza wymagań postawionych złączom oraz
metodyczne poszukiwanie siłowników, które najlepiej
by sprostały tym wymaganiom, doprowadziło nas do
drugiego oryginalnego rozwiązania zastosowanego
w robocie OmniTread – wykorzystania gumowych
mieszków pneumatycznych do napędu złączy. Nasze
badania [7] pokazały, że właśnie mieszki pneumatyczne
spełniają wszystkie cztery postulaty w sposób lepszy
niż jakikolwiek inny napęd. W szczególności generują ogromną siłę z jednostki masy oraz znakomicie
wpasowują się w przestrzeń złączową. To znakomite
dopasowanie zilustrowano na rys. 4 – widać, że przestrzeń złączowa może być wyjątkowo mała w jednym
położeniu złącza, zaś duża w drugim skrajnym położeniu. Gdybyśmy chcieli umieścić w tej przestrzeni
jakieś sztywne elementy, musiałyby one być niewiększe niż minimalna dostępna przestrzeń (patrz rys. 4).
Rys. 4. W robotach przegubowych przestrzeń złączowa zmienia się wraz ze zmianą kąta przechylenia złącza. W skrajnych położeniach dostępna przestrzeń maleje prawie do
zera
Jednak w przeciwieństwie do sztywnych napędów,
gumowe mieszki pneumatyczne znakomicie pasują do
tej zmiennej przestrzeni: wydłużają się podczas generowania siły przechylenia złącza i kurczą się właśnie
9
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2005
wtedy, gdy dostępne miejsce jest minimalne. Poza tym
mieszki wykorzystują jedynie przestrzeń złączową i do
tego niewielką. Dla podkreślenia jego wyjątkowych
cech opracowany układ nazwaliśmy Zintegrowanym
Napędem Złączowym (Integrated Joint Actuator).
Dla porównania klasyczne siłowniki pneumatyczne,
sztuczne mięśnie czy nawet silniki elektryczne wymagają znacznie większej przestrzeni w samym złączu lub
wewnątrz segmentu. Ilustracją zalety małej przestrzeni
złączowej w stosunku do dużej jest sytuacja pokazana
na fot. 5, gdzie OmniTread ze złączami potrzebującymi
bardzo małej przestrzeni pokonuje nawet wyjątkowo
wąskie przeszkody. Gdyby długość złączy była większa
od szerokości torów, robot mógłby zawisnąć na torze
i się zablokować.
Fot. 5. W robocie OmniTread, przestrzeń złączowa to jedynie
6,8 cm w porównaniu z długością segmentu 20 cm.
Dzięki dużej wartości współczynnika napędowego
robot bez problemu pokonuje tory kolejowe
Układ sterowania robota OmniTread
Cztery zintegrowane złącza robota OmniTread, o dwóch
stopniach swobody każde, są napędzane za pomocą 16
mieszków pneumatycznych własnej konstrukcji. W sumie robot ma aż 33 zmienne podlegające regulacji, są to:
16 pozycji, 16 sztywności i 1 prędkość silnika.
Na potrzeby sterowania tego dość rozbudowanego
systemu zaprojektowaliśmy rozproszony układ sterowania (rys. 6), składający się z pięciu lokalnych sterowników: po jednym dla każdego złącza i jeden dla silnika
oraz nadrzędnego komputera PC. Sterowniki lokalne
są zbudowane na bazie 16-bitowego mikrokontrolera
MC9S12DP256B firmy Motorola i komunikują się z komputerem PC przez sieć CAN.
Każdy mikrokontroler reguluje pozycję i sztywność
przyległego złącza o 2 DOF. Każdy z nich może otrzymać nowe nastawy (dwa położenia i dwie wartości
sztywności) oraz wysłać informację zwrotną (dwa
bieżące położenia i cztery wartości ciśnienia w mieszkach) co 10 ms. Mikrokontrolery wysyłają modulowane
sygnały cyfrowe PWM do ośmiu dwustanowych zaworów pneumatycznych (po dwa na każdy mieszek) zgodnie z uproszczonym algorytmem sterowania pozycją
i sztywnością, jak opisano dalej. Każdy sterownik ma
lokalne sprzężenie zwrotne od położeń złącza (dwa
potencjometry) i ciśnień w mieszkach.
Uproszczony sterownik pozycji i sztywności
W artykule [7] opisaliśmy szczegółowo Sterownik Proporcjonalny Pozycji i Sztywności zaprojektowany specjalnie dla Zintegrowanego Napędu Złączowego. Jego
zasadniczym celem jest równoczesna regulacja pozycji
i sztywności złącza o dwóch stopniach swobody, napędzanego mieszkami pneumatycznymi. Dodatkowo jego
działanie jest zoptymalizowane w celu minimalizacji
zużycia sprężonego gazu. System ten zakłada znajomość
modelu obiektu regulacji, a w szczególności bieżących
wartości momentów obciążenia. O ile jest to stosunkowo łatwe dla wyizolowanego napędu złączowego,
o tyle zadanie komplikuje się w wypadku wieloprzegubowego robota poruszającego się po bardzo trudnym
terenie. Ponadto wymagałoby zainstalowania czujników pomiaru orientacji robota w przestrzeni, których
nie ma w omawianej i testowanej wersji robota.
Zaproponowaliśmy uproszczoną wersję sterownika
z regulatorem położenia typu PID i podsystemem kontroli zaworów z nastawianiem sztywności złącza (rys.
7). Dwa takie systemy pracują równolegle w każdym
złączu, regulując parametry dwóch stopni swobody,
przy czym sztywność w obu jest taka sama i równa
sztywności złącza.
Rys. 7. Schemat blokowy uproszczonego sterownika pozycji
i sztywności złączy z zerowym przepływem gazu w stanie ustalonym
Rys. 6. Układ sterowania robota OmniTread
10
Regulator PID pozycji wypracowuje sygnał sterujący
u pobudzający podsystem kontroli zaworów. W tym
podsystemie, zgodnie z algorytmem pokazanym na rys.
8, są generowane sygnały sterujące dla czterech zaworów pneumatycznych połączonych z dwoma mieszkami
napędzającymi dany stopień swobody mechanicznej.
W każdym cyklu regulacji jest aktywowany tylko jeden
zawór, powodując dopływ powietrza do mieszka lub
jego wentylację.
Ograniczeniem uproszczonego sterownika w stosunku do wersji opartej na modelu złącza jest brak możliwości zmiany sztywności złącza w spoczynku, ponieważ
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2005
podsystem regulacji sztywności jest aktywowany przez
sygnał u, a ten przez uchyb położenia. Podczas testów
OmniTread przekonaliśmy się, to ograniczenie nie ma
istotnego wpływu na jakość kierowania robotem.
Rys. 8. Schemat blokowy podsystemu kontroli zaworów
Badania robota OmniTread
Przypomnijmy, że OmniTread ma pięć segmentów
o wymiarach 20×18,6×18,6 cm (długość×szerokość×wysokość) oraz cztery zintegrowane złącza o długości
tylko 6,8 cm. Cały robot ma zatem 127 cm długości i waży 13,6 kg. Napęd główny robota stanowi jeden silnik
elektryczny prądu stałego o mocy 70 W (firmy Maxon)
umieszczony w środkowym segmencie. Moment obrotowy jest przenoszony za pomocą wału biegnącego
wzdłuż robota do przekładni ślimakowych umieszczonych w każdym segmencie i dalej przez przekładnie
zębate i łańcuchowe do 40 gąsienic pokrywających
wszystkie strony robota. Zasilanie oraz sterowanie robota odbywa się przez 10-metrowy kabel.
W celu zweryfikowania mobilności i użyteczności,
robot OmniTread został poddany trzydniowym niezależnym testom na poligonie dla małych robotów mobilnych w Southwest Research Institute (SwRI) w San
Antonio, Texas.
W czasie testów robot był kierowany przez dwóch
operatorów, którzy mieli ciągły kontakt wzrokowy z robotem. Możliwa była zatem kontrola zachowania robota
w dowolnej chwili. Ponadto monitorowane i rejestrowane były dane dotyczące ruchu robota, ciśnień w złączach oraz zużycia energii. Wśród testów były takie zadania, jak pokonywanie wysokich progów, wspinanie
się wewnątrz plastikowej rury, pokonywanie szerokich
rowów i wiele innych. Niektóre wyniki liczbowe są zestawione w tabeli 2, inne osiągnięcia można prześledzić
na fotografiach zamieszczonych w niniejszym artykule
oraz w publikacji [8]
Znakomicie sprawdziło się zastosowanie gąsienic na
wszystkich stronach robota, i to nie tylko w sytuacjach
pokazanych na fot. 1, ale podczas dość częstego prze-
Tabela 2. Wyniki testów robota OmniTread
Prędkość maksymalna
10 cm/s
Minimalny promień skrętu
53 cm
Maksymalne nachylenie zbocza
podczas trawersowania
podłoże betonowe: 25°
Maksymalne nachylenie podczas
podjazdu
podłoże betonowe: 30°
piasek: 15°
Maksymalne nachylenie rury PCV
o średnicy 30 cm
22°
Maksymalna wysokość przeszkody
45,7 cm
Maksymalna szerokość rowu
66 cm
kręcania się robota wokół osi wzdłużnej (roll over).
Praca zintegrowanych złączy również przekroczyła
nasze oczekiwania, zwłaszcza pod względem trwałości,
niezawodności i odporności na udary – częste podczas
testów. Generowany moment napędowy w złączach pozwolił robotowi OmniTread wspiąć się na próg 2,3 razy
wyższy niż wysokość samego robota oraz pokonać rów
o szerokości równej połowie długości robota. Jeszcze
inne zadanie pokazano na fot. 9, gdzie OmniTread wjeżdża do plastikowej rury o średnicy wewnętrznej 30 cm,
nachylonej 22° do poziomu. Dzięki silnym złączom segmenty robota mogły napierać na górną i dolną ścianę
rury, generując siłę normalną zapobiegającą zsunięciu
się robota. Ponadto, dzięki podatności złączy nie potrzebna była ani regulacja, ani nawet kontrola siły nacisku segmentów na ścianki rury – żaden z elementów
robota nie uległ uszkodzeniu.
Fot. 9.
OmniTread wjeżdżający i wspinający się wewnątrz rury o nachyleniu 22°
Podsumowanie
Artykuł w zasadniczej swej części przedstawia projekt
robota hipermobilnego OmniTread, w którym autor
kierował pracami projektowymi i konstrukcyjnymi.
Z uwagi na nowatorstwo zagadnienia oraz na brak
szerszych informacji na temat robotów hipermobilnych w polskiej literaturze technicznej, w artykule zaproponowano także klasyfikację mobilnych robotów
przegubowych oraz dokonano krótkiego przeglądu
światowej literatury przedmiotu. Według naszej wiedzy
OmniTread jest jednym z dwóch (obok robota Moira)
robotów wykazujących taką wszechstronność oraz wyjątkową mobilność w dowolnym terenie, co daje mu
duże szanse na praktyczne wdrożenie.
Obecnie projekt robota OmniTread wkroczył w następną fazę: miniaturyzacji i zapewnienia autonomii.
11
Pomiary Automatyka Robotyka 6/2005
Następca o nazwie OT-4 ma dwukrotnie mniejsze wymiary poprzeczne i będzie miał 7 segmentów. OT-4 będzie również miał własne źródła energii (elektrycznej
i pneumatycznej) wystarczające na godzinną pracę.
Przewiduje się, że robot nadal będzie zdalnie kierowany. Wstępne wyniki badań OT-4 zaprezentowane
zostały w artykule [2].
Bibliografia
1.
T. Aoki, H. Ohno, S. Hirose, Design of Slim Slime Robot
II (SSR-II) with Bridle Bellows, Proc. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System,
pp. 835-840, vol.1, Oct. 2002.
2. J. Borenstein, G. Granosik, M. Hansen, The OmniTread
Serpentine Robot – Design and Field Performance,
Proc. of the SPIE Defense and Security Conference,
Unmanned Ground Vehicle Technology VII, Orlando,
Florida 2005.
3. H.B Jr. Brown, J.M. Vande Weghe, C.A. Bererton,, P.K.
Khosla, Millibot trains for enhanced mobility, IEEE/
ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 7, Issue 4 ,
pp. 452-461, Dec. 2002.
4. G.S. Chirikjian, J.W. Burdick, Hyper-redundant robot
mechanisms and their applications Proceedings IROS
‘91. IEEE/RSJ International Workshop on Intelligent
Robots and Systems, ‘Intelligence for Mechanical Systems, pp 185-190 vol.1, Nov. 1991.
5. R. Desai, C. Rosenberg, J. Jones, Kaa: An autonomous
Serpentine Robot Utilizes Behavior Control, IEEE/RSJ
International Conference on Intelligent Robots and
System, vol. 3, pp. 250-255, August 1995.
6. G. Granosik, J. Borenstein, The OmniTread serpentine
robot with pneumatic joint actuation, To appear at
Fifth International Workshop on Robot Motion and
Control, RoMoCo, June 2005.
7. G. Granosik, J. Borenstein, Pneumatic actuators for
serpentine robots, To appear at CLAWAR 2005.
8. G. Granosik, M. Hansen, J. Borenstein, The OmniTread
Serpentine Robot for Industrial Inspection and Surveillance. Industrial Robots International Journal, Special Issue on Mobile Robots, vol. IR32-2, pp. 139-148,
March 2005.
9. S Hirose,. A. Morishima, Design and Control of a Mobile Robot With an Articulated Body. The International
Journal of Robotics Research, Vol. 9, No. 2, pp. 99-113,
April 1990.
10. S. Hirose, A. Morishima, S. Tukagosi, T. Tsumaki, H. Monobe, Design of Practical Snake Vehicle: Articulated
Body Mobile Robot KR-II, Fifth International Conference on Advanced Robotics, ‘Robots in Unstructured
Environments, pp 833 -838 vol.1, June 1991.
11. T. Kamegawa, T. Yamasaki, H. Igarashi, F. Matsuno,
Development of the snake-like rescue robot KOHGA,
Proceedings of the 2004 IEEE Intl. Conference on Robotics and Automation, pp. 5081-5086, New Orleans,
LA, April 2004.
12. H. Kimura, S. Hirose, Development of Genbu: Active
wheel passive joint articulated mobile robot. Proc.
IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, pp. 823 -828 vol.1, Oct. 2002.
13. H. Kimura, S. Hirose, K. Shimizu, Stuck evasion control for Active-Wheel Passive-Joint snake-like mobile
robot ‘Genbu’, Proc. of the 2004 IEEE Int’l Conference
on Robotics and Automation, pp. 5087-5092, New Orleans, LA, 2004.
14. B. Klaassen, K.L Paap, GMD-SNAKE2: A Snake-Like
Robot Driven by Wheels and a Method for Motion
Control. Proc. of IEEE International Conference on
Robotics and Automation. pp. 3014-3019, Detroit, MI,
May 10-15,1999.
15. G. Long, J. Anderson, J. Borenstein, The OmniPede:
A New Approach to Obstacle Traversion. Proc. of IEEE
International Conference on Robotics and Automation, pp. 714-719, USA 2002.
16. M. Mori, S. Hirose, Three-dimensional serpentine motion and lateral rolling by active cord mechanism
ACM-R3, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, pp. 829-834 vol.1, Oct.
2002.
17. J. Muth, E. Grant, A Safer Way to Search Disaster Sites.
IEEE Robotics & Automation Magazine, pp. 56-57, Sept.
2000.
18. K. Osuka, H. Kitajima, Development of Mobile Inspection Robot for Rescue Activities: MOIRA. Proc. of the
2003 IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robots
and Systems, Las Vegas, Nevada, October 2003.
19. K.L. Paap, M. Dehlwisch, B. Klaassen, GMD-Snake:
A Semi-Autonomous Snake-like Robot, In: Distributed Autonomous Robotic Systems 2, Springer-Verlag,
Tokio 1996.
20. K.-U. Scholl, V. Kepplin, K. Berns, R. Dillmann, Controlling a multi-joint robot for autonomous sewer inspection, Proc. IEEE International Conference on Robotics
and Automation, ICRA ‘00, pp. 1701-1706 vol.2, April
2000.
21. Y. Shan, Y. Koren, Design and Motion Planning of
a Mechanical Snake, IEEE Transactions on Systems,
Man, and Cybernetics, Vol. 23, No. 4, pp. 1091-1100,
July/August 1993.
22. Słownik naukowo-techniczny angielsko-polski, wyd.
X, WNT, Warszawa 1992.
23. Słownik współczesnego języka polskiego, red. Bogusław Dunaj, Wydawnictwo Wilga, Warszawa 1996.
24. H. Streich, O. Adria, Software approach for the autonomous inspection robot MAKRO, Proc. of the 2004
IEEE Int’l Conference on Robotics and Automation,
pp. 3411-3416, New Orleans, LA, 2004.
25. T. Takayama, S. Hirose, Development of Souryu-I connected crawler vehicle for inspection of narrow and
winding space, 26th Annual Conference of the IEEE
Industrial Electronics Society, IECON, pp. 143-148
vol.1, Oct. 2000.
Prezentowany projekt był realizowany w Laboratorium Robotów Mobilnych w University of Michigan, Ann Arbor,
USA i finansowany przez Departament Energii USA (grant DE-FG04-86NE3796) oraz przez Intelligence Technology
Innovation Center (kontrakt F009822).
12