Monitorování servisními roboty

Monitorování servisními roboty

Monitorování se využívá v různých nestrojírenských aplikacích. Nejen ve světě, ale i v našich zemích kromě mnoha jiných monitorovacích zařízení vykonávají úlohy tohoto typu také servisní roboty. Roboty bývají pro tyto úlohy vybaveny kamerovým systémem, který je schopen snímanou scénu zaznamenávat a snímaný obraz přenášet na stanoviště operátora. Servisní roboty lze s výhodou použít všude tam, kde je prostředí pro člověka nebezpečné, těžko dostupné, či dokonce zcela nedostupné. Jde např. o vyhledávání nebezpečného materiálu, zabezpečování ostrahy objektů, monitorování prostorů pro člověka nedostupných, podmořský průzkum apod. Uplatní se zde různé konstrukce servisních robotů, které jsou uzpůsobeny k práci na souši, pod vodou nebo i v kosmickém prostoru. Jako příklad lze uvést monitorování prostředí zamořeného radiací nebo chemickými látkami, monitorování kráterů sopek, podmořského dna, povrchu jiných planet apod. [2].

V mnoha případech mohou servisní roboty kromě monitorování prostředí také manipulovat s předměty. Rozmanitost různých monitorovacích činností, které mají servisní roboty vybavené kamerovým systémem vykonávat, se odráží ve značném rozptylu požadavků na jejich velikost a konstrukční řešení, mobilitu, komunikaci s okolním prostředím, způsob řízení atd. Rozdělení servisních robotů, které se využívají k monitorování prostředí, podle typu podvozku je znázorněno na obr. 1. K tomu, aby mohl robot splnit zadanou úlohu, musí být kromě kamerového systému vybaven dalšími potřebnými senzory. Jejich počet a typ závisejí na konkrétní aplikaci [3].

Monitorovací robot na pásovém podvozku

Na katedře robototechniky Fakulty strojní VŠB-TU v Ostravě bylo navrženo několik servisních robotů, které se mohou využívat pro monitorování v různých nestrojírenských oborech.

Za příklad lze zvolit pásový robot se čtyřmi pásy, které umožňují zdolávat různě členitý terén (obr. 2). Robot je určen pro vnitřní i venkovní prostředí. Může se pohybovat po schodech a lze jej použít pro různé aplikace v městském prostředí. Nosný rám je z uzavřených tenkostěnných profilů, které jsou navzájem sešroubovány. Ve spodní části rámu je nosná deska, na které jsou upevněny tři jednotky pohonu, tvořené motory Truck Puller s třístupňovou převodovkou. Výstupní hřídel z převodovky je spojena s hřídelí, na níž je uložena řemenice ozubeného řemenu, pohánějícího levý a pravý pás. V přední části robotu jsou dvě ramena, která se mohou otočit o 360°. Jsou poháněna stejným způsobem jako levý a pravý pás. Obě otočná ramena jsou spolu spojena hřídelí procházející náboji hnacích kol.

Kamerový subsystém tvoří jednu z hlavních skupin robotu. Je v něm použita barevná digitální kamera se senzorem CCD, odolná proti vlhkosti. Lze využívat 220násobné zvětšení – zoom (22násobné optické a desetinásobné digitální). Kamera má v přední části 45 infračervených osvětlovacích LED, umožňujících snímání ve tmě nebo ve špatných světelných podmínkách. Osvit pomocí LED se aktivuje automaticky. Napájení kamery je dvanáctivoltové. Přenos videosignálu je bezdrátový s dosahem až 3 km (při přímé viditelnosti; uvnitř budov se dosah zkracuje). Bezdrátový přenos signálu je rádiový na frekvenci 2,4 GHz a vysílač i s přijímačem jsou homologovány pro běžné užívání ve venkovním a vnitřním prostředí. Vysílač propojený kabelem s CCD kamerou je upevněn na horním krytu podvozku. Přijímač, umístěný na stanovišti operátora, je spojen s osobním počítačem. Pro napájení všech pohonů a prvků byl použit 12V akumulátor Akuma.

Robot je bezdrátově naváděn operátorem. K tomu se využívá souprava rádiového ovládání (RC, radio control).

Model robotu v systému Pro/Engineer a vlastní vyrobený robot (obr. 3) byly v loňském roce vyhodnoceny jako nejlepší v celostátní soutěži Awards (sekce vzdělávání), pořádané firmou AV Engineering.

Tento pásový robot je možné použít např. pro monitorování:

• vnitřního prostředí v komplexech budov,
• venkovního prostředí v okolí budov – ostrahu objektu,
• kanálů nebo stok – pravidelné prohlídky,
• v zamořeném venkovním prostředí – např. vyhledávání osob nebo zdroje zamoření,
• venkovního prostředí při různých ekologických haváriích,
• kamionů na celnicích – prohlídka podvozků,
• břehů vodních nádrží,
• neznámého terénu.

Monitorovací robot se všesměrovými koly

Jako další příklad robotu navrženého na katedře robototechniky VŠB-TU v Ostravě lze uvést čtyřkolový servisní robot s všesměrovými koly (obr. 4), určený do vnitřního prostředí. Celou jeho konstrukci je možné rozdělit do několika subsystémů:

• rám se všesměrovými koly a odpružením,
• pohony,
• napájení,
• senzory,
• kamera,
• kryty.

Pro pohon všech čtyř všesměrových kol byly navrženy motory Maxon s planetovou převodovkou, snímačem polohy a modulem pro řízení polohy. Pro napájení pohonů, senzorů a kamery jsou použity 12V akumulátory Akuma. Modulární, sendvičově uspořádaný rám podvozku je zhotoven z tenkostěnných uzavřených profilů. Všechny komponenty jsou spojeny šroubovými spoji. Celou koncepci robotu dotvářejí naklápěcí ramena, která jsou k nosné konstrukci rámu připojena ve dvou místech. Nespornou výhodou tohoto uspořádání je snadná výměna jednotlivých komponent.

Vzhledem k tomu, že nástavbu robotu tvoří kamerový subsystém, musel být navržen prvek, který by dokázal blokovat nebo výrazně utlumit otřesy a vibrace vznikající při přejíždění překážek či jiných nerovností, jež by jinak způsobovaly roztřesení obrazu snímané scény.

Senzorický subsystém je tvořen dvanácti ultrazvukovými senzory URSH-03, umístěnými po obvodu robotu. Dále je robot vybaven gyroskopem. V okamžiku, kdy se robot nakloní, gyroskop okamžitě vrátí kameru do vodorovné polohy. Vzhledem k tomu, že kamera je vybavena detektorem pohybu, je možné navržený robot využít jako velmi výkonný bezpečnostní systém. Bude-li se robot pohybovat zcela autonomně, je pro hlášení mimořádných událostí vybaven telefonním hlásičem.

Kamerový subsystém tvoří jednu z hlavních částí robotu. Nosná konstrukce kamerového subsystému je upevněna k nosné desce rámu a umožňuje kameru natáčet ve dvou osách: okolo svislé osy v rozsahu ±180° a okolo vodorovné osy v rozsahu ±55°. Natáčení v obou osách zajišťují servomotory. Pro monitorování byla zvolena webová kamera Axis 2120. Tuto barevnou kameru postačí připojit k síti nebo k modemu a ihned je možné přenášet pohyblivý obraz přes intranet nebo internet. Systém může být nastaven jako otevřený nebo uzavřený, přesně podle požadavků konkrétní aplikace. S kamerou lze komunikovat také pomocí mobilního telefonu. Nejjednodušší kamerový okruh s dálkovým videodohledem přes síť GSM může být tvořen webovou kamerou Axis 2120, dvěma moduly GSM s podporou GPRS a osobním počítačem. Tak je možné získat obrázek přibližně každých pět sekund.

Robot buď může být řízen operátorem z řídicího počítače, nebo se může chovat autonomně (s využitím ultrazvukových senzorů). Komunikaci mezi robotem a řídicím počítačem zajišťuje bezdrátový komunikační modul Adam 4550.

Navržený robot může přejíždět překážky do výšky 2 cm a lze jej využít ve venkovním prostředí pro různé typy servisních úloh se zaměřením na monitorování. Jako příklad je možné uvést tyto činnosti:

• ostraha uvnitř budovy,
• vyhledávání nebezpečných předmětů,
• monitorování stavu povrchů různých ploch,
• monitorování prostorů nedostupných pro člověka.

Monitorování servisními roboty s manipulační nástavbou

Mobilní servisní roboty určené pro monitorování ve venkovním i vnitřním prostředí mohou mít také manipulační nástavbu. Kamerový subsystém takovéhoto robotu má několik kamer. Jedna z nich bývá umístěna na rozhraní koncového členu manipulační nástavby [1]. Mobilní roboty s manipulační nástavbou se využívají pro takové aplikace, kde nelze použít první dva uvedené typy.

Při návrhu konstrukčního řešení manipulační nástavby se na katedře robototechniky VŠB-TU v Ostravě vycházelo z detailního přehledu současných používaných řešení. Vzhledem k velké různorodosti konstrukčních řešení manipulačních nástaveb bylo třeba specifikovat požadavky na navrhovanou konstrukci. Navržená manipulační nástavba je určena pro výuku studentů v laboratoři. Lze ji také využít k realizaci konkrétních aplikací v oblasti monitorování. To umožní ověřit mnoho teoretických poznatků v praxi. S ohledem na stanovené požadavky byla navržena a v současnosti je vyráběna středně velká nástavba, kterou lze využít jako stacionární zařízení nebo ji lze upevnit na rám podvozku mobilního robotu. Návrh byl nejprve namodelován v systému Pro/Engineer. Manipulační nástavba pro monitorování a manipulaci ve vnitřním, popř. venkovním prostředí je řízena operátorem pomocí joysticku připojeného k osobnímu počítači. Je propojena s osobním počítačem kabelem, videosignál lze přenášet bezdrátově. Z konstrukčního hlediska jde o modulární stavebnici. To umožňuje sestavit různé varianty podle konkrétní úlohy. Navržená a vyrobená konstrukce se skládá ze dvou hlavních modulů, dolního a horního. Ty mohou být doplňovány dalšími moduly, např. modulem zápěstí, modulem dvoučelisťového chapadla, modulem víceprstého chapadla, moduly delších ramen apod.

Kompletní pohon jedné osy je tvořen elektromotorem Maxon, planetovou převodovkou, snímačem polohy a modulem pro řízení rychlosti. Jako převodové mechanismy jsou použity kuželová ozubená soukolí a řemenový převod pro natáčení celého manipulátoru okolo svislé osy. Dva motory pro obě osy rotace v prvním kloubu jsou instalovány v nosném modulu (základu). Motor pro rotaci ve druhém kloubu je uložen v prvním rameni. Motor pro rotaci rozhraní (příruby) je uložen na konci druhého ramene. Manipulační nástavbu lze pomocí desky v základu upevnit na stůl nebo na rám podvozku servisního robotu.

Kamerový systém je samostatná jednotka, která bude součástí pracoviště s manipulační nástavbou. Jedna barevná digitální kamera bude umístěna na výstupním rozhraní manipulační nástavby a bude určena k pořizování videozáznamů nebo fotozáběrů monitorovaného prostředí, popř. detailů konkrétních objektů. Kamera bude propojena kabelem s osobním počítačem. Kamera má osminásobné optické a čtyřnásobné digitální zvětšení. Pro sledování celé manipulační nástavby bude použit stejný kamerový subsystém jako u pásového servisního robotu. Také k přenosu videosignálu budou využity stejné prostředky.

Manipulační nástavbu lze použít pro tyto aplikace:

• monitorování vnitřního prostředí v komplexech budov (ve spojení s kolovým nebo pásovým podvozkem),

• monitorování a obsluha pacientů ve zdravotnictví,

• monitorování a obsluha pacientů v domácím prostředí a další úlohy vyžadující manipulaci s předměty obecného tvaru.

Létající robot pro monitorování

Jako příklad servisního robotu určeného v tomto případě pro monitorování ze vzduchu lze také zmínit helikoptéru (obr. 6), jejíž model byl navržen rovněž na VŠB-TU v Ostravě. Robot vznikl úpravami a doplněním modelu helikoptéry Robbe Futura Nova řízeného rádiem. Motor Novarossi C 60 V2 WC (zdvihový objem 9,96 cm³ a hmotnost 630 g) je vybaven dvoustupňovou převodovkou. Celková délka helikoptéry je 1 470 mm, celková výška 570 mm, průměr nosného rotoru 1 480 mm, průměr vyrovnávacího rotoru 294 mm a celková hmotnost přibližně 5 150 g (hmotnost původního modelu, bez doplněného vybavení).

Helikoptéra je vybavena množstvím senzorů, např. diferenčním přijímačem signálu GPS, elektromagnetickým kompasem, gyroskopem, barevnou CCD kamerou, detektorem ohně, sonary apod. Robot komunikuje pomocí modulu Datalink, který umožňuje obousměrnou bezdrátovou komunikaci s pozemní řídicí stanicí. Pozemní řídicí stanice je vybavena referenčním přijímačem signálu GPS, modulem Datalink a osobním počítačem.

Navržený létající robot lze využít např. pro:

• pátrací a záchranářské akce, při kterých robot prozkoumává oblast, ve které došlo k nehodě nebo živelní katastrofě (požár, záplavy apod.),

• dohled na požadovaném území s identifikací a hlášením neobvyklých činností nebo osob apod.,

• pomoc při pátrání po podezřelých osobách a při jejich dopadení,

• kontrolu vedení vysokého napětí ve vzdálených oblastech a inspekci mostů, hrází, budov nebo vyhledávání nebezpečného materiálu,

• průzkum terénu při pořizování map nebo trojrozměrných modelů terénu,

• snímání záběrů pro kinematografii.

Závěr

Tento článek prezentuje poznatky získané při řešení grantového projektu J17/98:272300008, podporovaného z fondu pro rozvoj vysokých škol MŠMT. Článek ukazuje možnosti využití servisních robotů pro monitorování ve vnitřním i venkovním prostředí. Detailnější pozornost byla věnována návrhům konstrukce realizovaným na katedře robototechniky Fakulty strojní VŠB-TU v Ostravě.

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