Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Mobilní roboty určené pro získávání prostorových metrických dat

číslo 11/2006

Mobilní roboty určené pro získávání prostorových metrických dat

Ladislav Kárník

Na monitorování ve vnitřním i venkovním prostředí mobilním robotem může navazovat mnoho dalších činností. Jednou z nich je zjišťování prostorových metrických dat různých předmětů, vstupních otvorů, rozměrů obrysů staveb a dalších objektů, které se nacházejí v okolí mobilního robotu. Například změření rozměrů vstupních otvorů tunelů či chodeb může být informací pro stanovení možnosti průjezdu dalších mobilních zařízení. Zjišťování prostorových metrických dat mobilními roboty najde uplatnění zejména v zamořeném, pro člověka nebezpečném nebo nedostupném prostředí a rovněž při určování rozměrů obtížně měřitelných objektů.

1. Úvod

Mobilní roboty určené k získávání prostorových (3D) metrických dat jsou vybaveny kamerovým systémem pro navádění robotu v daném prostředí a dvojící kamer, potřebných k získávání požadovaných dat. Kromě kamerových systémů jsou roboty vybaveny osvětlovací technikou, popř. dalšími senzory. Mobilní roboty pro získávání prostorových metrických dat se mohou chovat autonomně nebo jsou naváděny operátorem. Ve většině případů jde o kolové či pásové podvozky, na kterých je upevněna nástavba s kamerami a další technikou. Při pohybu robotu po terénu, když není prováděno měření, může být nástavba s kamerami uložena v přepravní poloze v prostoru rámu podvozku. Tím je nástavba chráněna před poškozením při ztrátě stability podvozku nebo při kolizích. Dále to zmenšuje celkovou výšku mobilního robotu, což je výhodné s ohledem na průjezdnost např. v nízkých tunelech. Při pořizování prostorových metrických dat se robot zastaví a rozbalí se nástavba s kamerami pro měření.

Při měření musí být osy objektivů kamer ve vodorovné poloze. Kamery je vhodné nastavovat do vodorovné polohy ustavením nástavby na rámu podvozku. Podvozek samotný je určen pouze k překonávání terénních nerovností, překážek a nesení nástavby. Proto musí mít nástavba vzhledem k rámu dostatečný počet stupňů volnosti, zejména v situaci, kdy robot stojí na nakloněné rovině. Rozměry nástavby závisejí na velikosti kamer pro měření a navádění pohybu robotu, osvětlovací techniky apod. Velikosti nástavby musí odpovídat velikost podvozku. Pro vnitřní prostředí půjde zejména o malé konstrukce kolových nebo pásových podvozků. Pásový podvozek bude zvolen, má-li se robot pohybovat po schodech. Pro venkovní prostředí to mohou být šesti- i vícekolové podvozky nebo pásové podvozky s přídavnými pásy [1].

2. Návrh mobilního robotu na pásovém podvozku pro získávání prostorových metrických dat

Konstrukce navrženého servisního robotu využívá dva základní moduly. Prvním modulem je pásový podvozek vyrobený na katedře robototechniky Fakulty strojní VŠB-TU Ostrava pro servisní úlohy zaměřené na monitorování [2]. Z původní konstrukce je využit pouze modul pásového podvozku, do kterého jsou zabudovány řídicí počítač a dva napájecí zdroje. Na horní plochu spojovacích profilů nosného rámu modulu podvozku je upevněn druhý modul – nástavba pro nesení kamerového systému a osvětlovacího zařízení. Nástavba je umístěna v poloze, ve které její svislá osa prochází těžištěm podvozku. Pohyb podvozku a natáčení nástavby do požadovaného směru ovládá operátor na dálku rádiovým ovládáním. Fotografie modulu podvozku je na obr. 1.

Obr. 1.

Obr. 1. Modul pásového podvozku servisního robotu určeného pro nesení nástavby s kamerami

Pro zabezpečení požadovaných funkcí navrhované nástavby určené pro nesení kamerového systému byly stanoveny tyto požadavky:

  • nástavba musí být lehká s možností zatížit horní plošinu hmotností do 6 kg,

  • nástavba musí umožňovat naklápění ve dvou osách, aby bylo možné horní plošinu uvést do vodorovné polohy,

  • na horní plošině musí být upevněn rám s držákem kamer a reflektor,

  • rám na horní plošině musí být otočný okolo svislé osy,

  • kamery na rámu musí mít možnost otáčení okolo vodorovné osy.

S ohledem na uvedené požadavky byla navržena nástavba se dvěma plošinami. Na horní plošině je upevněn rám pro kamery, reflektor a popř. další vybavení. Mezi nosným plechem nástavby a dolní plošinou je umístěna pohonná jednotka, která umožňuje dolní plošinu natáčet okolo vodorovné osy. Mezi dolní a horní plošinou je umístěna druhá pohonná jednotka pro natáčení horní plošiny okolo vodorovné osy kolmé na osu otáčení dolní plošiny. Obě pohonné jednotky jsou nezávislé, a horní plošina se tak může natáčet ve dvou osách. Model nástavby vytvořený v systému Pro/Engineer je, včetně modelu podvozku, znázorněn na obr. 2.

Obr. 2.

Obr. 2. Model nástavby mobilního robotu pro nesení kamerového systému

Rozsah natáčení obou plošin je ±20° od vodorovné polohy a odpovídá tomu, jakou polohu může zaujmout podvozek při pohybu po členitém terénu. Vychází se z předpokladu, že operátor bude mít vždy možnost ustavit robot tak, aby jeho sklon byl co možná nejmenší. Souvisí to také se zachováním stability robotu. Obě pohonné jednotky mají stejnou konstrukci a tvoří je stejnosměrný 12V motor, planetová převodovka a pohybový šroub s maticí. Pohybový šroub s trapézovým závitem převádí rotační pohyb výstupní hřídele planetové převodovky na přímočarý pohyb pro natáčení plošiny. Je uložen ve dvou ložiskách. Na jednom konci je pohybový šroub opatřen dorazem, který zabraňuje jeho vyjetí z matice; to by způsobilo havárii nástavby. Koncové polohy pohybového šroubu na obou stranách jsou signalizovány snímači [3]. Konec pohybového šroubu s výstupní hřídelí planetové převodovky je spojen pomocí Oldhamovy pružné spojky. Planetová převodovka a matice pohybového šroubu jsou otočně uloženy na čepech v blocích upevněných na plošinách.

Horní rám pro upevnění kamerového systému a reflektoru je vyroben z tenkostěnných hliníkových profilů. Rozměry rámu vycházejí z požadavku, aby osy objektivů kamer určených pro měření objektů byly od sebe vzájemně vzdáleny 500 mm. Dalším požadavkem je minimální výška obou kamer nad terénem 700 mm. Otáčení rámu okolo svislé osy zabezpečuje servomotor. Také k otáčení vodorovné lišty s kamerami je využit servomotor. Kamera umístěná uprostřed lišty je určena pro navádění pohybu robotu v terénu a k natočení rámu okolo svislé osy do požadovaného směru k měřenému objektu. Tyto pohyby jsou ovládány ze stanoviště operátora. Reflektor slouží pro osvětlení měřeného objektu a okolního prostředí při snížené viditelnosti a je upevněn vedle kamery pro navádění operátorem. Prostorová metrická data za špatných světelných podmínek nebo v úplné tmě lze pořizovat v rozsahu řádově několika metrů.

Polohování obou plošin je řízeno počítačem umístěným na rámu podvozku. Informaci o naklonění horní plošiny ve dvou osách dává sklonoměr, umístěný na této plošině. Pohony, kamery a reflektor jsou napájeny ze zdroje instalovaného v rámu podvozku. Řídicí počítač je z důvodu možného poklesu napětí při rozjezdu robotu napájen ze samostatného zdroje.

Při pohybu robotu po terénu je nástavba v základní poloze jako na obr. 2, popř. se horní rám může otočit o 90°, aby nezvětšoval průjezdnou šířku robotu. Teprve po zastavení robotu jsou do chodu uvedeny obě pohonné jednotky pro polohování plošin, které vyrovnají horní plošinu do vodorovné polohy. Polohování se aktivuje ze stanoviště operátora. Po uvedení sklonoměru do vodorovné polohy ve dvou osách se pohony vypnou.

Zapínání a vypínání reflektoru je ovládáno také ze stanoviště operátora. Obraz okolní scény, snímaný třetí kamerou, je na stanoviště operátora přenášen bezdrátově. Vysílač je umístěn na rámu podvozku mobilního robotu. Kamerová nástavba se může otáčet okolo svislé osy v rozsahu ±90° ze základní polohy a okolo vodorovné osy o 90° směrem nahoru. To umožňuje snímkovat např. strop uvnitř místnosti nebo měřit prostorové rozměry objektů ve výškách. Při pořizování dvojice snímků měřeného objektu je záznam spuštěn ze stanoviště operátora. Pořízené snímky jsou přenášeny bezdrátově na monitor k operátorovi. Snímky se zpracovávají přímo v PC umístěném na rámu podvozku mobilního robotu a zpracovaná data jsou rovněž přenášena bezdrátově na stanoviště operátora. Přesnost získaných prostorových metrických dat závisí na velikosti měřeného objektu a jeho vzdálenosti od mobilního robotu. S rostoucí vzdálenosti klesá přesnost zjištěných rozměrů. Při vzdálenosti přibližně do 10 m lze očekávat odchylku řádově v jednotkách centimetrů. Přesnost získaných prostorových metrických dat rovněž závisí na typu použitých kamer a jejich objektivů. V současné době se nástavby vyrábějí a po dokončení budou testovány v praxi.

3. Ověření funkčnosti navrženého modelu nástavby

Pro ověření správné funkce a kinematických a dynamických vlastností navrženého prostorového modelu nástavby byl použit systém MSC/Adams. Model nástavby, vytvořený v systému Pro/Engineer, byl importován do prostředí simulačního systému. Zavedením požadovaných parametrů do importovaného modelu lze ověřovat matematický model a chování při pohybu v jednotlivých kloubech. Dále lze zjišťovat kinematické a dynamické veličiny: souřadnice, rychlosti, zrychle ní, síly, momenty apod., na komponentách nástavby a porovnávat je s předem vypočtenými hodnotami. Rovněž lze následně chování modelu a zjištěné hodnoty porovnávat s hodnotami naměřenými na vyrobené nástavbě při testování v praxi [4]. Po simulaci modelu nástavby bylo možné výchozí model zpětně upravit, např. změnit tvar jednotlivých komponent, upravit výkony pohonů a vzdálenost plošin od sebe, navrhnout jiné než kovové materiály atd.

Pro každou simulaci pro ověření kinematických a dynamických vlastností, chování a příslušných parametrů nástavby byl vytvářen samostatný model. Získané hodnoty byly promítnuty do animací a plošných i prostorových grafů. Zjištěné výsledky byly porovnány a na základě toho byla změněna konstrukce nástavby. Celkem byly porovnávány dvě navržené varianty nástaveb vybavené kamerovým systémem a požadovanými komponentami. Po ověření obou modelů byla vybrána lepší varianta.

Obr. 3.

Obr. 3. Model nástavby v systému MSC/Adams: vlevo v základní pozici po zastavení, uprostřed po ustavení do vodorovné polohy, vpravo průběh momentů

Schéma modelu nástavby importovaného do systému MSC/Adams je na obr. 3. Vlevo je stav, ve kterém je robot po zastavení na členitém terénu, uprostřed je znázorněn model po ustavení kamer do vodorovné polohy a vpravo průběh momentů na pohonech během ustavení plošiny.

Mnoha různými analýzami byly také ověřeny možné polohy v jednotlivých kloubech nástavby se zjištěním sil a momentů na motorech pohonných jednotek a servomotorech pro polohování rámu s kamerami a reflektorem. Analýzy lze rovněž provést na samostatném podvozku nebo také na celém mobilním robotu. Zejména je potřebné vyšetřit stabilitu celého robotu při pohybu po členitém terénu a při přejíždění překážek s různou výškou a tvarem. Zde je nutné ještě namodelovat terén, po kterém se bude robot pohybovat, a model opět importovat do systému MSC/Adams. Pro simulaci se zavedou kontakty pásů nebo kol podvozku robotu s terénem. Při analýze se robot pohybuje po terénu a lze tak simulovat jeho chování při přejezdu přes překážky. Získané poznatky může využít operátor při navádění skutečného robotu po terénu.

4. Příklady aplikací navrženého mobilního robotu v praxi

V oblasti vojenství může být navržený robot využit např. jako robot-průzkumník, který zmapuje průjezdnost terénu pro těžkou techniku tím, že změří rozměry portálů tunelů, šířku mostů a úvozů apod. Kromě toho lze na robot umístit senzory např. pro vyhodnocování přítomnosti chemických látek v okolí robotu. Rozměry mobilního robotu-průzkumníku musí být malé a robot musí být schopen pohybovat se v členitém terénu. Jeho pohyb a další funkce mohou být ovládány operátorem např. z transportéru apod.

Při civilním využití může mobilní robot pro získávání prostorových metrických dat nahradit náročné a komplikované měření rozměrů velkých a tvarově složitých objektů. Dále lze robot tohoto typu uplatnit při měření rozměrů objektů v prostředí pro člověka nedostupném nebo těžko dostupném a nebezpečném, a to ve venkovním i vnitřním prostředí. Vzhledem k tomu, že při téměř každém měření se bude robot pohybovat v jiném prostředí, je výhodná modulární konstrukce robotu se snadno demontovatelnou nástavbou s kamerovým systémem, kterou lze upevnit na různé typy kolových nebo pásových podvozků v různých modifikacích a velikostech. Vhodnou volbou podvozku pro dané prostředí lze podstatně zvýšit využitelnost mobilního robotu pro získávání prostorových metrických dat.

V neposlední řadě mohou tyto roboty najít uplatnění při záchranářských akcích. V takovém případě může být požadavkem možnost práce ve výbušném prostředí.

Rovněž ve strojírenských aplikacích najdou roboty uvedeného typu množství využití [5]. Zde může jít např. o měření v horkém nebo zdraví nebezpečném prostředí. Pro specifické typy servisních úloh je třeba zvolit vhodný podvozek a nástavbu; to může vést i k využití např. kráčejících robotů.

5. Závěr

Cílem článku bylo ukázat možnosti využití mobilních robotů pro měření prostorových rozměrů objektů, včetně možného monitorování ve vnitřním i venkovním prostředí. Pozornost byla věnována konstrukci navržené na katedře robototechniky Fakulty strojní VŠB-TU v Ostravě a možnosti jejího využití v praxi. Pro omezený rozsah článku není problematika řešena podrobně.

Tento článek prezentuje poznatky získané při řešení grantového projektu GAČR 105/03/0719, 2003.

Literatura:
[1] KÁRNÍK, L. – KNOFLÍČEK, R. – MARCINČIN, J. N.: Mobilní roboty. Márfy Slezsko, Opava, 2000, 210 s., ISBN 80-902746-2-5.
[2] KÁRNÍK, L.: Monitorování servisními roboty. Automa, 2004, roč. 10, č. 5, s. 18–20, ISSN 1210-9592.
[3] NOVÁK, P.: Sensors for orientation of mobile robots. In: Transactions of the Robtep Košice 2002, s. 281–284, ISBN 80-7099-826-1.
[4] KÁRNÍK, L.: Analýza a syntéza lokomočních ústrojí mobilních robotů. VŠB-TU Ostrava, Ediční středisko VŠB-TUO, 2004, 171 s., ISBN 80-248-0752-1.
[5] MARCINČIN, J. N. – DOLIAK, M.: Počítačová podpora automatizovaného riadenia výroby na pracoviskách s robotmi. AT&P Journal, HMH Bratislava, 2000, roč. 7, č. 5, s. 100–101, ISSN 1335-2237.

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

Lektoroval: doc. Ing. Štefan Valenčík, CSc.,
Technická univerzita v Košiciach