Roboty mobilne
Roboty mobilne można podzielić na:
Roboty poruszające się po stałym torze jezdnym.
Autonomiczne roboty mobilne poruszajÄ…ce siÄ™ samodzielnie.
Roboty poruszające się po stałym torze jezdnym
Rys. 1. Ruchomy robot ROMEO
zainstalowany na wózku szynowym, 1-5
sterowane osie przemieszczeń
b)
a)
Rys. 2. Robot mobilny: a  liniowy (suwnicowy), b - bramowy powierzchniowy
Autonomiczne roboty mobilne
b
a
Napęd skrętu
Koło napędu jazdy
Koło toczne
c
Rys. 3. Schematy układów kinematycznych autonomicznych robotów
mobilnych: a) poruszający się wyłącznie do przodu, b) jeżdżące w przód i
w tył, c) jeżdżące wzdłuż i w poprzek w każdą ze stron
a) b)
c)
Rys. 4. Trójkołowy robocar: a) schemat ogólny, b) napęd na dwa koła, c) napęd za
pomocą koła sterującego
Rys. 5. Czterokołowy autonomiczny robot mobilny: 1) rama, 2) obracane zawieszenie kół,
3) z
ródło energii, 4) jednostka sterująca, 5) koła
Rys. 6. Autonomiczne roboty mobilne poruszajÄ…ce siÄ™ do przodu
Rys. 7. Autonomiczne roboty mobilne poruszajÄ…ce siÄ™ do przodu
Rys. 8. Autonomiczne roboty mobilne poruszajÄ…ce siÄ™ do przodu
Rys. 9. Autonomiczne roboty mobilne poruszajÄ…ce siÄ™ do przodu
i do tyłu
Rys. 6. Mechanizmy wewnętrzne wózka bezszynowego: 1 silnik napędu jazdy, 2 układ
napędu skrętu, 3 koło jezdne, 4 rolka oporowa, 5 antena z sensorami, 6 akumulatory,
7 prostownik do ładowania akumulatorów, 8 osłona zabezpieczająca (pałąk), 9 układ
sterowania
Rys. 7. Mechanizm przemieszczający paletę - aktywna stacja załadowczo/rozładowcza na
autonomicznym robocie mobilnym
Przegubowy robot
przemysłowy
Paleta
Dotykowy wyłącznik
Układ sterowania
bezpieczeństwa
Rys. 8. Automatycznie kierowany pojazd z zamocowanym robotem
Rys. 9. Robot z kołami typu
Mecanum
Do przodu W bok Po przekÄ…tnej
Dwa koła napędzane są z tą
Wszystkie koła napędzane są
Wszystkie koła napędzane są samą prędkością i w tym
z taką samą prędkością, w
z taką samą prędkością, lecz samym kierunku, dwa
tym samym kierunku.
w przeciwnych kierunkach pozostałe są zahamowane.
(lewe przednie + prawe tylne
w jednym kierunku, prawe
przednie + lewe tylne w
przeciwnym).
Obrót wokół geometrycznego Obroty wokół środków osi
Dowolny ruch
środka (przedniej bądz
tylnej)
Rys. 10. Możliwości ruchowe
robota z kołami typu Mecanum
Koła jednej osi napędzane Ruchem dowolnym nazywany
Wszystkie koła napędzane są
są z taką samą prędkością w jest ruch, który wymaga
z taką samą prędkością, lecz
przeciwnych kierunkach. Koła sterowania prędkością
w przeciwnych kierunkach
drugiej osi zatrzymane. obrotową każdego koła. W
(koła lewe w jednym
takim przypadku możliwe jest
kierunku, koła prawe w
odtworzenie dowolnego toru.
przeciwnym).
Sterowanie autonomicznych robotów mobilnych
TECHNIKI PROWADZENIA ROBOTÓW MOBILNYCH
BEZ LINI
LINIA PROWADZ
CA LINIA PROWADZ
CA
PROWADZ
CEJ
PASYWNA AKTYWNA
 Detekcja fotooptyczna  Prowadzenie indukcyjne
Nawigacja wirtualna w
 Metoda Littona połączeniu z lokalizacją:
 Detekcja metalu  przyrostowÄ…,
 podczerwonÄ…,
 ultradżwiękową
 wizyjnÄ…,
 laserowÄ…,
 żyroskopową.
Rys. 12. Techniki prowadzenia autonomicznych robotów mobilnych
Rys. Ilustracja indukcyjnego prowadzenia wózka bezszynowego wzdłuż
przewodu ułożonego pod podłogą: 1  przewód, 2  pole magnetyczne,
3  cewki w głowicy prowadzącej, 4  silnik mechanizmu jazdy, 5  silnik
mechanizmu skrętu, 6  komparator kierunkowy, 7 - wzmacniacz
Dalmierz ultradz
więkowy (sonar)
Zasada działania
Aby zmierzyć odległość od przeszkody należy zmierzyć czas jaki upływa od wysłania sygnału
ultradz
więkowego przez nadajnik, aż do odebrania powracającego echa przez odbiornik (rys. ).
Echo powstaje w wyniku odbicia dz
więku od przeszkody. Ponieważ prędkość dz
więku w
powietrzu jest stała (zależy w niewielkim stopniu od temperatury oraz ciśnienia
atmosferycznego), to do obliczenia odległości do tego celu można użyć następującego wzoru:
S= V t/2
S - odległość mierzona w [m], V - prędkość rozchodzenia się dz
więku w powietrzu (343m/s)
t - czas od wysłania do odebrania ultradz
więków w [s].
Większość przetworników ultradz
więkowych przeznaczonych do pracy w powietrzu, działa na
częstotliwości 40kHz.
Okrąg z punktów lasera pokazuje powierzchnię padania ultradz
więku mierzącego odległość.
W ten sposób zapewniamy dokładne celowanie co gwarantuje pewne wyniki pomiarów
Skaner laserowy
Skaner laserowy RLS wysyła
za pomocÄ… obrotowego
lusterka w zakresie 360°
impulsy promieniowania
laserowego. Impulsy
świetlne są odbijane przez
leżące na ich drodze obiekty
i odbierane przez fotodiodÄ™
czujnika. Poprzez pomiar
czasu jaki upływa pomiędzy
Dane pomiarowe:
wysłaniem, a odebraniem
odległość i kierunek
impulsu, określana jest
mogą być przesyłane
odległość do obiektu.
do komputera
Kierunek pojedynczego
poprzez port
strumienia pomiarowego jest
szeregowy.
określany za pomocą tarczy
kodowej (przetwornika kÄ…ta).
Żyroskop
Żyroskop jest szybko obracającym się krążkiem ("bąkiem"), który dopóki się obraca, dopóty
stara się zachować położenie swojej osi. Zespoły żyroskopów używane do przestrzennego
pomiaru obrotu składają się z trzech żyroskopów o osiach ustawionych przestrzennie pod
kątem 90 stopni. Takie ustawienie nazywamy układem sferycznym.
W bezwładnościowych układach nawigacyjnych stosuje się układy kardanowe, w których
platforma żyroskopowa jest zawieszona na przegubie Cardana, lub sztywne, nieruchome
względem konstrukcji.
Nawigacja wirtualna
Nawigacja wirtualna to rodzaj techniki sterowania bez ścieżki prowadzącej. W
pamięci procesora pokładowego pojazdu zapamiętana jest dwuwymiarowa mapa bitowa
świata zewnętrznego, tzn. hali fabrycznej, z zaznaczonymi wszystkimi stałymi obiektami
(przeszkodami). Komputer pojazdu generuje trajektoriÄ™ ruchu od punktu startowego do
celu, a następnie według niej prowadzi wózek, sterując mechanizmami kierowania i
napędu.
Podczas jazdy konieczne jest sprawdzanie zgodności rzeczywistego toru ruchu
z wygenerowanym, a także wykrywanie nieprzewidzianych przeszkód (ludzi, przedmiotów).
Dlatego też nawigacja wirtualna musi być łączona z innymi
Generowanie trajektorii ruchu robota jest najważniejszym zadaniem nawigacji
wirtualnej. W zależności od zakresu dostępnej informacji o otoczeniu robota w fazie
planowania ruchu, metody planowania robotów mobilnych dzielimy na globalne i
lokalne.
Metody globalne to:
- propagacji fali,
- diagramów Woronoia,
- grafu widoczności.
Metody globalne zakładają znajomość rozkładu wszystkich przeszkód przed
przystąpieniem do planowania. Zaletą metod globalnych jest (potencjalna) optymalność,
jej ceną jest zwielokrotnienie nakładów obliczeniowych i mała odporność na zmiany
warunków początkowych zadania, np. w wyniku nieoczekiwanego pojawienia się
przeszkód ruchomych. Ze względu na dużą czasochłonność metody globalne są
wykorzystywane w wstępnym planowaniu ruchu.
Metody lokalne zapewniają głównie bezkolizyjność ruchu z ewentualna optymalizacją
lokalnej jakości ruchu. Zaletą metod lokalnych jest bardzo szybkie planowanie ruchu,
nawet w trybie czasu rzeczywistego, a wiedza o przeszkodach może być ograniczona do
bezpośredniego otoczenia robota. Do lokalnych zalicza się metody:
- pół potencjałowych
- elastycznej wstęgi
Metoda propagacji fali
W metodzie propagacji fali zakłada się, ze robot mobilny porusza się na płaszczyz
nie w
dowolnym kierunku z jednakową łatwością, a więc jest holonomiczny. Działanie metody
polega na podziale dwuwymiarowej przestrzeni konfiguracyjnej robota na elementarne
komórki, zwykle tworzące jednorodną siatkę. Planowanie odbywa się przez przypisanie
każdej komórce znacznika oraz wagi. Znacznikiem  zajęta opatrujemy te komórki, które
odpowiadają obszarom przestrzeni konfiguracyjnej zajętym przez przeszkody (waga = -2),
pozostałym komórkom nadajemy status komórki wolnej (waga = -1). O rozpatrywanym
obszarze przestrzeni konfiguracyjnej założymy, że jest spójny i o skończonej liczbie
elementarnych komórek, co automatycznie implikuje rozwiązalność zadania. Status komórki
 wypełnionej będą miały komórki o wagach nieujemnych. W przygotowującej do
właściwego planowania pierwszej fazie, następuje zapełnienie wagami wszystkich komórek
wolnych i zajętych. Komórce początkowej nadawana jest waga 0, jej sąsiadom (o ile nie są
komórkami zajętymi) waga 1, ich sąsiadom waga 2 itd. Droga jest wyznaczana przez
poszukiwanie wśród sąsiadów wybranej komórki, nazwijmy ją bieżącą, takiej, która ma wagę
o jeden mniejszą. Z kolei ta komórka staje się bieżącą i proces poszukiwania drogi odbywa
się iteracyjnie, aż zostanie znaleziona droga do celu, czyli do komórki inicjującej. Optymalna
droga przebiega przez wszystkie wyznaczone komórki bieżące.
Zastosowanie metody propagacji fal jest ograniczone do środowisk
stacjonarnych i zamkniętych. Podczas implementacji metody ważny jest sposób
dyskretyzacji przestrzeni konfiguracyjnej. Liczba komórek elementarnych powinna być
umiarkowana
Metoda diagramu Woronoia
Metoda diagramu Woronoia jest metodą planowania skrajnie bezpiecznych torów robotów
mobilnych poruszających się na płaszczyz
nie. Zwykle bywa wykorzystywana w środowisku
o niezbyt licznych przeszkodach stacjonarnych. Na podstawie mapy otoczenia robota, w
której znajdują się przeszkody, nanosi się krzywe równoległe do przeszkód. Dla przeszkód w
kształcie wielokątów krzywymi są odcinki lub łuki parabol. A
ukom powstałego grafu są
przypisywane wagi równe długościom toru między wierzchołkami mierzoną wzdłuż linii
równoodległych od przeszkód (odległość ta jest zazwyczaj dłuższa od odległości
euklidesowej między wierzchołkami). W drugiej fazie planowania przeszukiwany jest
utworzony nieskierowany graf, np. według algorytm Dijkstry, w celu znalezienia najkrótszej
drogi łączącej wierzchołek początkowy z końcowym. Główną zaletą metody diagramu
Woronoia jest bezpieczeństwo wynikowego toru ruchu tym bardziej, że informacja o
odległościach od przeszkód (konieczna podczas tworzenia linii równoległych od przeszkód)
może podwyższać wagi niektórych łuków. Jednakże może prowadzić do torów nawet
przesadnie bezpiecznych, a przez to zbyt długich. Do wad metody należy zaliczyć trudność
w uwzględnieniu zmian środowiska, np. w wyniku ruchu przeszkód. Czasem także
najkrótsza droga w grafie niekoniecznie musi być łatwa do realizacji przez poruszającego się
robota.
Graf widoczności
Graf widoczności planuje bardzo efektywnie optymalny tor ruchu robota mobilnego na
płaszczy1nie przy założeniu, że przeszkody przyjmują kształt wieloboków foremnych.
Trajektorie wyznaczane są począwszy od punktu początkowego poprzez połączenie go z
widocznymi krawędziami otaczających go przeszkód kończąc na punkcie docelowym.
Zadaniem algorytmu jest znalezienie optymalnej trajektorii ze wszystkich wyznaczonych.
Nadając wagi poszczególnym ścieżkom można wykorzystać algorytm Floyda do
znalezienia najkrótszej drogi pomiędzy wszystkimi parami wierzchołków w grafie
ważonym.
Metoda pól potencjalnych
Jest to metoda lokalna, niewrażliwa na kształt przeszkód. Zakłada ona, że ruch robota
jest wypadkową działających nań sił. Siły pochodzące od przeszkód odpychają robota,
natomiast siły pochodzące od punktu docelowego  przyciągają. Siły odpychające
powinny mieć wartość stosunkowo małą, gdy robot jest z dala od przeszkód i rosnąć
praktycznie do nieskończoności na brzegach przeszkód. Wypadkowa siła nadaje
chwilowy kierunek ruchu robota. W żądanym kroku czasowym, ruch w kierunku
wyznaczonym siłą wypadkową przemieszcza robot o stałą i małą odległość. W wielu
przypadkach siły wyznacza się na podstawie modelowania układu robot-przeszkody
jako wynik oddziaływania  ładunków elektrycznych umieszczonych na robocie,
przeszkodach i punkcie docelowym. Ogólnie zarysowana metoda ma jeden podstawowy
mankament, jest to problem z minimami lokalnymi.
Metoda elastycznej wstęgi
KolejnÄ… metoda planowania toru robota mobilnego traktowanego jako punkt materialny
jest metoda elastycznej wstęgi. Metoda łączy dwa podejścia; metodę ciągłej deformacji i
metodę pól potencjałowych. Dopuszcza ona do wielu inwencji w projekcie konkretnego
planera ruchu. Zadanie dla planera nie polega na znalezieniu bezkolizyjnego toru
łączącego punkt początkowy i końcowy ruchu, ponieważ taki tor jest dana wejściową dla
metody, lecz takie odkształcenie toru inicjującego działanie metody, by nowy tor był
łatwiejszy do śledzenia przez rzeczywistego robota, lub by mógł być modyfikowany w
zależności od ruchomych przeszkód na drodze do robota.
SINAS  System nawigacyjny dla automatycznych robotów serwisowych
Firma SIEMENS, wiodąca w dziedzinie sterowań numerycznych, oferuje system
nawigacyjny SINAS [I3] dla niezależnych, mobilnych robotów serwisowych. System
nawigacyjny SINAS jest systemem o budowie modułowej. Pakiet nawigacyjny składa się
z następujących komponentów: sterownika z instalacją, pakietu oprogramowania,
skanera laserowego, optycznego żyroskopu i systemu sensorów ultradz
więkowych.
System nawigacyjny SINAS może współpracować z robotami różnych
charakterystykach kinematycznych i geometrycznych, do których może być
łatwo konfigurowalny i dopasowany. Dzięki zastosowaniu skanera
laserowego o wysokiej dokładności i optycznego żyroskopu możliwa jest
nawigacja w halach o dużej powierzchni. Sensory ultradz
więkowe pozwalają
na określenie minimalnej odległości poruszającego się pojazdu od ściany,
wynoszącej około 10 cm. Dzięki tym sensorom system nawigacyjny ma stale
aktualny obraz pola swojego działania i może planować trasę i generować
optymalną ścieżkę poruszania się.