stranger_live (stranger_live) wrote,
stranger_live
stranger_live

Category:

Автономный управляемый робот-манипулятор и технологии дистанционного присутствия. Часть 1.

- Назначение:
Робот может работать как автономно, так и при связи с серверами в локальной сети и Интернет. К роботу можно подключаться извне и брать на себя управление, манипулируя объектами в доме, в офисе, на производстве или иной среде, в закрытом или открытом помещении.
Развитие подобных технологий вплоть до виртуальных сред позволит жить вне мегаполисов, фактически в любом благоприятном для жизни населённом пункте, при этом без проблем и приемлемым уровнем удобства дистанционно выполнять большинство видов работ. Не будет необходимости частых перемещений физически, что разгрузит транспортное сообщение и сэкономит время на передвижение, расход топлива и энергии, износ транспортных средств, снизит число ДТП, повысит уровень здоровья людей. Окажет ещё массу положительных эффектов.

Внедрение робота-манипулятора как важного направления технологий дистанционного присутствия позволит решить многие транспортные проблемы и снизить транспортные издержки, вызванные необходимостью личного присутствия человека в рабочих средах - что особенно актуально для особенностей географии и климата России. Возможности дистанционной работы позволят сформировать единую эффективную экономическую среду (“облако”), свободную от местоположения локальных рабочих сред (офисов, производств и т.п.), что кроме снижения транспортных издержек (включая затраты времени, сил, здоровья, риски ДТП и т.п.) позволит пользователям принимать участие в наиболее подходящих им работах и проектах, при этом проживая и находясь в произвольных и удобных для них населённых пунктах России и иных государств. Это позволит развивать оптимальную для жизни и экономически эффективную сеть малых городов и поселений взамен перенаселённых мегаполисов с их дефицитом пространства, пробками и чрезмерно дорогой недвижимостью: http://stranger-live.livejournal.com/5113.html

В совокупности эти меры позволят снизить всевозможные издержки и затраты до минимума, а эффективность экономики России поднять до максимального уровня, конкурентного по сравнению с экономками других стран, находящихся в более благоприятном географическом и климатическом положении.

- Цель проекта:
Разработать максимально простого, надёжного, безопасного для пользователя и рабочей среды, дешёвого, универсального, масштабируемого, быстродействующего робота, с развитыми возможностями интеллектуального взаимодействия с пользователем и рабочей средой, позволяющими максимально оптимизировать взаимодействие пользователя и среды при дистанционном управлении.


-
Научно-техническое обоснование:
Робот-манипулятор будет представлять собой установленный на шасси корпус, снабжённый 2-мя манипуляторами-руками, и 2-мя-3-мя видеокамерами-глазами для распознавания формы объектов и пространства - т.е. во многом повторять строение тела человека. Так же манипулятор может иметь собственную операционную систему (если он будет автономен и не подключен к общему управляющему центру) для управления движениями. Пользователь, физически находясь в одном месте, может видеть всё что видит манипулятор в другом месте и управлять его движениями. Программа манипулятора может помогать пользователю производить мелкие движения, требующие точности: например, распознавать и векторизовать объекты пространства для чёткости передачи изображения, экономии трафика и точной безопасной манипуляций с ними; нацеливать на объекты, помогать осуществлять точные типичные действия обладая сведениями об объектах и взаимосвязи с другими объектами, т.е. максимально предугадывать намерения пользователя, уберегать от различных недопустимых действий. Таким образом, работа за манипулятором будет достаточно комфортна, позволит работать удалённо и не перемещаться на работу физически. В большинстве современных профессий можно использовать технологии дистанционного присутствия с успешным использованием манипулятора: профессии интеллектуального и лёгкого физического труда, вредные для человека среды или наоборот стерильные среды, тепличное хозяйство в частности и сельское хозяйство вообще, а так же в различных других рабочих (проблемных) средах (хозяйстввенных, производственных работ, участия в дистанционных образовательных процессах). Учитывая уровень техники, даже пилотная модель робота сможет поднимать предметы массой до 10 кг. каждым из двух манипуляторов из самой нижней точки (с пола), а обоими манипуляторами - до 20 кг. Одновременно сможет манипулировать миниатюрными объектами, вероятно даже лучше человека, особенно при применении специализированных манипуляторов.


- Область применения:
-- Основные функции:
--- В быту и домашнем хозяйстве:
---- В автономном или диспетчерском режиме (при подключении и взятии диспетчером управления роботом): мытьё посуды, наведение чистоты и порядка, уход за домашними животными, хозяйственные и ремонтные работы.
Преимущества удалённой диспетчерской работы на бытовом роботе в том, что это исключает необходимость проникновения персонала внутрь помещения, позволит персоналу (или консалтинговой сопровождающей фирме) обслуживать дистанционно сразу несколько клиентов. При предоставлении удалённого доступа к подключению программное обеспечение позволит задать правила и ограничения, защитить определённые области помещения (пространства) наложением фильтра (например, визуального), чтобы персонал (отдельные персоны или группы) видел (а точнее, воспринимал) лишь рабочие области, не представляющие для них секрета. Кроме того, для персонала можно установить разрешения и запреты на перемещение в какие либо области (зоны, территории), и ограничения по времени. Таким образом, различным подключающимся субъектам можно предоставлять различные права доступа к различным рабочим областям, к отдельным объектам и их группам. Можно настроить права так, что робот будет транслировать изображения объектов диспетчеру (или очертания объектов), но не позволит манипулировать ими (прикасаться к ним).
--- Офисная работа:
---- Манипуляции с документами, предметами.
---- Вероятно даже, возможности ставить подписи посредством штатных или специальных дополнительных манипуляторов.
---- Визуальное и звуковое взаимодействие с другими сотрудниками, учитывая и то что робот может свободно поворачиваться “лицом” и перемещаться. Для полного визуального взаимодействия можно оснастить робот монитором, на который будет транслироваться изображение лица подключенного к нему человека либо иная необходимая для взаимодействия информация. Наличие динамиков тоже предполагается.
---- К одному роботу-манипулятору могут быть подключаемы множество сотрудников, создавая очередь, либо давая роботу стандартные задания, которые робот может выполнить в автономном режиме. В последнем случае можно будет использовать мастер - графическую среду, показывающую рабочую среду (обстановку офиса и объекты), над которой мышью по технологии Drag And Drop (перетаскиванием объектов) можно указать план действий над объектами. Этот план робот выполнит по мере освобождения от иных задач. Задачам можно выставить уровень срочности и важности, чтобы робот пересчитывал приоритеты задач и выполнял задачи в соответствии с приоритетами. Приоритеты тех или иных задач и типов задач могут быть заданы заранее по-умолчанию согласно регламента данной организации. Если в организации действуют несколько роботов, то они могут быть подчинены одному серверу (одной управляющей системе), которая будет распределять задания между роботами.
--- В опасных для человека зонах
--- В зонах, где присутствие человека нежелательно или запрещено во избежание занесения посторонних веществ и организмов (например, лаборатории) .


- Дополнительное функции в автономном режиме:
-- Охранные функции.
-- Проветривание и слежение за составом атмосферы на предмет наличия вредных газов и примесей.
-- Ликвидация очагов вредного воздействия (распространение огня, утечки газа и воды, вызов и передача управления специалистам, которые могут устранить неисправности при диспетчерском управлении).


- Перспективные функции в автономном режиме:
-- Няня для детей:
--- Слежение за поведением детей.
--- Предостережение детей от опасных ситуаций и поведения, соприкосновения с опасными предметами, слежение за состоянием здоровья.
--- Интеллектуальная видеозапись поведения для демонстрации родителям и няням. Вызов родителей или воспитателей при возникновении сложных ситуаций.
--- Развлечение детей:
---- Игры
---- Чтение сказок и рассказов
---- Иные совместные действия.
-- Функции повара.
-- Уход за людьми с ограниченными возможностями
-- Так как робот (точнее, система управления робота) будет очень хорошо знать образ жизни владельцев (как один из процессов рабочей среды), то сможет служить в качестве дневника, напоминать о событиях, давать какие-либо рекомендации и подсказки, следить за состоянием здоровья владельца и других людей, подстраиваться под режим и привычки. Зная привычки пользователя робот сможет предугадывать потребности пользователя. В случае наступления экстренной ситуации сможет оперативно найти в базе знаний рекомендации по дальнейшим действиям.
-- Робот сможет посредством сетей (в том числе WiFi) быть всегда на связи с необходимыми людьми, например связываться с владельцами по мобильному телефону, сообщая какую-либо интересующую информацию.
-- Робот может стать посредником между людьми и глобальной сетью, уточняя и формализуя желания людей в виде готового запроса. Так как робот, как было сказано выше, сможет лучше знать особенности и потребности взаимодействующих с ним людей, создавать наиболее вероятный запрос, соответствующий ситуации и среде.
-- Робот может выполнять организационные и секретарские функции в каких-либо процессах, делах, мероприятиях. Т.е. сможет связывать или помогать связывать людей друг с другом в ходе выполнения какого-либо проекта.


- Перемещение:
-- Шасси:
--- Колёса: приводятся в движение электродвигателями.
---- Задние: большие наклонённые: 2 штуки
Наклонённые колёса обеспечивают повышенную устойчивость, общую компактность, манёвренность, дополнительную амортизацию подвески. Подобным образом устроены некоторые инвалидные коляски.
---- Передние: небольшие прямые: 2 штуки
2 передних колеса (вместо одного) обеспечивают расширение области опоры при наклонах корпуса робота вперёд. Передние колёса можно сделать поворачивающимися каждое по отдельности (как у автомобиля) или на общей оси. Для обеспечения устойчивости робота желательно, чтобы колёса поворачивались по отдельности, не нарушая опорный контур.
Робот будет способен пользоваться лестничными пролётами, помогая себе манипуляторами  и опираясь на перила (как и человек). Так же может преодолевать высокие пороги внутри помещения, опираясь манипуляторами о пол и приподнимая передние колёса. При падении (точнее, заваливании на бок или “спину”) робот сможет вновь подняться.
Ширина ходовой части должна быть такой, чтобы проходить в дверные проёмы шириной 600 мм.
Для придания устойчивости при манипуляции тяжёлыми предметами всё тяжёлое оборудование (аккумуляторы, компрессоры, двигатели и прочее) должно быть размещено на шасси. Кроме того, шасси можно оборудовать выдвижными распорками (подобных тем, которыми оборудованы автокраны), которые робот может использовать при подъёме тяжёлых объектов и придания дополнительной устойчивости при выполнении манипуляций.


- Корпус: дуги, образующие треугольники, рамы.

- Манипуляторы:
Пневмоцилиндры, на концах которых помещены кисти-захваты. Воздух в пневмоцилиндры поступает из воздухораспределителя, управляемого системой управления движениями робота. Пневмоцилиндры имеют ряд преимуществ перед электроприводами: производят более высокие усилия, более скоростные действия, меньше шума, обладают более высокой надёжностью и прочностью ввиду простоты и меньшего количества используемых элементов, требуется наличие меньшего количества необходимого электрооборудования, что повышает безопасность манипуляторов.
Для простоты и надёжности конструкции пилотной модели предпочтительнее будет использовать пневмоцилиндры в качестве манипуляторов (наподобие крана-стрелы), но, возможно, в дальнейшем будет лучше использовать манипуляторы в виде сочленённых звеньев, где пневматика будет подавать на звенья усилия, сгибая манипулятор в коленях (как у экскаватора).
Для выполнения многих операций в вертикальных направлениях необходимы воздействия (скорость и усилие), превышающее вес и ускорение свободного падения манипуляторов. Поэтому необходимо использовать двунаправленные пневмоцилиндры, в которых воздух нагнетается с обеих сторон от поршня, что позволит ускорять манипулятор и сообщать ему искусственное усилие не только снизу вверх, но и сверху вниз. Для прочих видов движений тоже характерен возвратно-поступательный режим, поэтому применение двунаправленных пневмоцилиндров оправдано почти во всех узлах.
В основании пневмоцилиндров, вероятно, будет рационально использовать противовес, чтобы энергия тратилась в основном на движения, а не преодоление веса манипулятора. Однако, при необходимости преимущественно быстрых движений и лёгкого веса манипуляторов противовесы будут создавать сопротивление движению из-за момента инерции. Но, скорее всего, ввиду малых размеров противовеса и малой величины рычага момента инерции возникать не будет. Манипуляторы предназначены для достаточно грубых движений, так как точные движения должны выполняться кистями, поэтому применение компактных противовесов оправдано.
Манипулятор опорным концом пневмоцилиндра целесообразно опереть не на основание пневмоцилиндра, а как можно ближе к центру пневмоцилиндра. Таким образом, пневмоцилиндр манипулятора будет как качели опираться своей центральной частью на “плечи” робота, вращаясь на плечевых шарнирах. Это позволит: увеличить длину пневмоцилиндра и увеличить ход выдвижной части (штока); позволит при выдвижении оставлять внутри цилиндра максимальную часть штока, что будет лучше обеспечивать прочность пневмоцилиндра при нагрузке на изгиб (например, поднятии тяжести); позволит к основанию пневмоцилиндра манипулятора прикрепить ещё один дублирующий опорный пневмоцилиндр, что позволит двигать манипулятор с большим усилием, а так же сообщать манипулятору не только вертикальные, но и частично горизонтальные движения. Кроме того, применение двунаправленных или обратнонаправленных основных и дублирующих пневмоцилиндров позволят для движения манипуляторов использовать преимущественно функцию втягивания штока, а не выталкивание (например, при поднятии груза будет работать не основной опорный пневмоцилиндр, выталкивающий шток и поднимающий манипулятор, а дублирующий пневмоцилиндр, втягивающий шток и тянущий конец манипулятора), что обеспечит работу пневмоцилиндров на расширение, а не сжатие, обеспечивая их конструктивную прочность без необходимости иметь достаточную прочность на изгиб и ограничения по отрезку штока, который пришлось бы оставлять внутри цилиндра при его выталкивании.
Вероятно, системы основного и дублирующего пневмоцилиндров (ввиду их расположения под углом к пневмоцилиндру манипулятора) будет достаточно, чтобы сообщать манипулятору горизонтальные движения, которые требуют намного меньшие усилия, чем вертикальные. Если же для горизонтальных движений потребуются дополнительные усилия, то будет необходимо установить так же соответствующие элементы. К сожалению, в конструкции робота уже не остаётся места для свободного расположения пневмоцилиндров, которые бы обеспечили достаточно большой ход манипуляторов в горизонтальной плоскости, не пересекаясь при этом при движении с другими конструктивными элементами. В качестве компромиссного решения проблемы  можно использовать систему ременной передачи, приводимую в движение либо электродвигателями, либо пневмоцилиндрами (как изображено на модели: пневмоцилиндры, тянущие тросики с передней стороны робота). Или же использовать пневмоцилидры, расположенные параллельно пневмоцилиндру манипулятора (как изображено на модели: пневмоцилиндры, у задних концов пневмоцилиндров амнипулятора).
В системе воздухораспределителя будут расположены датчики давления, контролирующие давление, подаваемое на каждый из пневмоцилиндров, и таким образом определяющие усилие, прикладываемое манипулятором на объект. Система контроля усилий позволит не допускать перегрузок конструктивных элементов и опасных неустойчивых состояний. При невозможности выполнения какого-либо действия из-за возникающих перегрузок робот будет рассчитывать и пробовать иные положения и подходы, в которых сможет выполнить действие безопасно или с наименьшим риском потери устойчивости и перегрузок.
Характер нагрузок на манипуляторы в основном будет двух видов: холостые быстрые движения и нагруженные медленные. Для первого вида движений необходим большой объём воздуха с малым давлением, для второго вида - наоборот. Нагнетание воздуха и накопление его в резервуарах - далеко не оптимальный процесс. Поэтому, рационально использовать либо две системы воздухораспределения - высокого и низкого давления, либо одновременно с силовыми пневмоцилиндрами параллельно им использовать двигательные пневмоцилиндры с малым сечением, которые позволят производить быстрые холостые движения.

Кисти-захваты напоминают кисти рук. Грубый вариант: состоят из условно нижней жёстко зафиксированной части (аналог большого пальца), и верхней подвижной (3 независимых подвижных пальца, средний из которых расположен напротив нижнего пальца аналога большого). Пример более точного варианта аналогичен кисти руки человека : http://alfa-robot.ru/sozdateli-ruki-skopirovali-anatomiyu-cheloveka.html , где будет  важна подвижность большого пальца, но необязательно наличие мизинца и даже безымянного. Вероятно, целесообразно компромиссным вариантом может являться вариант из 2-3 нижних пальцев и 3-х верхних, которые сжимаются и разжимаются при помощи небольших двунаправленных пневмоцилидров. Если предусмотреть возможность изменения промежутка между пальцами и сдвиг рядов верхних и нижних пальцев относительно друг друга (что технически несложно), либо если сжимать пальцы в рядах не все подряд, а через один, то можно обеспечить прохождение пальцев одного ряда в другой, и таким образом захват стержней малого диаметра (наподобие ручки швабры). Либо можно выполнять надёжный захват стержней специальным дополнительным манипулятором, расположенным рядом с основным (например, в месте “запястья”, или по обеим сторонам от рядов пальцев).
Кисти целесообразно оснащать собственным воздухораспределителем. Это обеспечит точность и миниатюрных движений, а так же это позволит подводить к кисти сжатый воздух с возможностью свободного неограниченного вращения кисти по оси манипулятора.
Для улучшения фиксации предметов можно использовать миниприсоски (диаметром в несколько миллиметров), воздух из которых будет откачиваться компрессором (или в шину отрицательного давления). В качестве каркаса можно использовать кисть-манипулятор из прочной решётки с ячейками в 3-5 мм, на которую натянута резиновая “перчатка”. Под перчаткой создаётся отрицательное давление, что плотно натягивает перчатку на каркас-решётку, а при втягивании участков резины в ячейки каркаса создаётся эффект множества присосок, необходимых для удержания скользких предметов (мокрая посуда, изделия из стекла).
Повторяя возможности руки человека манипуляторы будут универсальны для множества видов задач. Для специализированных задач возможно использовать сменные или дополнительные манипуляторы, по крайней мере “кисти”.


- Силовые установки:
Аккумулятор, компрессор и накопительный резервуар сжатого воздуха можно располагать как непосредственно на шасси, так и делать внешними по отношению к роботу, соединив с роботом шлангом и силовым проводом. В этом случае к одной силовой установке может быть подключено сразу несколько роботов. Силовой электропровод можно расположить внутри пневмошланга. При использовании внешних компрессора, резервуара и питания на шасси робота так же можно располагать резервные - в этом случае при прекращении подачи питания и снабжения от внешних источников робот сможет пользоваться автономными, чтобы, например, завершить важное задание или операцию, и чтобы заняться выявлением и устранением проблем подачи снабжения от внешних источников, успеть запросить помощь людей.
Если эксплуатация робота будет производиться в освещённых местах, то на роботе можно разместить солнечные батареи, чтобы в случае прекращения внешнего и резервного питания батареи постепенно подзаряжали аккумулятор и дозапитывали робота, позволяя ему хотя бы найти безопасное место и источник внешнего питания.
Часть узлов должна быть защищена от попадания влаги.


- Архитектура компьютера:
Рациональнее разместить на роботе лишь систему управления движениями, а всю обработку производить на сервере локальной сети. Связь с данным сервером может осуществляться по wifi и/или магистральному проводу. Wifi может обеспечить передачу до 30 мбайт/сек, что вполне достаточно для дистанционного визуального управления и передачи видео-данных на сервер для дальнейшей обработки. Но первоначально, для упрощения разработки, все системы управления можно разместить на самом роботе.


-- Пространственная ориентация:
--- Сканирование пространства:
--- Видеокамеры работы с объектом:
---- FullHD: не менее 1 штуки: для максимально точного распознавания свойств объектов.
---- С меньшим разрешением: Не менее 2-х штук: для построения пространственной модели помещения, формы объектов и расширения ракурса (чтобы оставалось меньше закрытой от обзора поверхности объектов). В совокупности с FullHD-камерой позволят определять форму объектов, с которыми производятся манипуляции. Камеры могут быть максимально разнесены друг от друга на большую базу.
---- Сферические камеры: не менее 1 штуки: Для охвата всего пространства. Камеры могут быть максимально разнесены друг от друга на большую базу.
--- Камеры по концам манипуляторов для наблюдений за действиями кисти, объектами и процессами в зоне контакта кисти (опционально). Целесообразно размещение камер по 2-3 штуки для распознавания пространственной геометрии объектов.
--- Датчики (сенсоры):
---- Лазерное сканирование пространства (опционально).
---- Ультразвуковое сканирование пространства (опционально).
---- Датчики звука (микрофоны).
---- Тепловизор (опционально).
---- Термометр.
---- Датчик состава атмосферы, влажности/задымлённости (опционально).


- Платформа для органов восприятия
Видеокамеры и различные сенсоры относятся к органам восприятия. Органы восприятия необходимы для контроля выполнения текущих задач и контроля окружающей среды и внешних событий. В человеке все органы восприятия объединены на одной платформе - голове, что накладывает определёные ограничения, вынуждает прерывать текущие задачи и отвлекаться, реагируя на внешние события. У робота рациональнее будет разделить органы на две платформы (т.е. оснастить двумя “головами”): одна для контроля выполнения текущей задачи в ограниченной области, а другая - для контроля окружающей обстановки. Шарниры (“шеи”) обеих платформ-голов могут действовать независимо. Сферические видеокамеры, микрофоны, тепловизор, сканеры пространства будут относиться к платформе контроля окружающей среды. Видеокамера высокого разрешения - для контроля текущей задачи. Но для простых и пилотных моделей органы восприятия как и у человека можно совместить на одной платформе.
В отличие от шеи человека “шею” робота можно выполнить в виде телескопического пневмоцилиндра, которая позволит приближаться и “разглядывать” высоко размещённые предметы без необходимости использования каких-либо лестниц и приспособлений. Так же для простых моделей достаточно использовать “шею”, вытягивающуюся вертикально вверх, вероятно с возможностью небольших уклонов или возможностью размещения платформы на конце пневмоцилиндра на кронштейне, позволяющем перемещать платформу так же и в горизонтальной плоскости. В отличие от головы человека платформа робота, снабжённая лишь органами восприятия, будет достаточно легковесная - вероятно, не более 1-го килограмма.
В случае использования двух платформ “шею” платформы контроля окружающей среды можно сделать удлиняющейся вертикально вверх без возможности уклонов, а “шея” платформы контроля задач будет изначально под изменяемым углом к вертикали.
Одной из важных проблем при использовании робота будет тряска, вызываемая движениями манипуляторов, и передаваемая на органы восприятия, что отрицательно сказывается на качестве изображения видеокамер. Для подавления тряски применяются множество способов: амортизация манипуляторов, стэдикамы (Steadicam) и программные средства обработки изображения. Но, вероятно в ряде случае будет целесообразно размещать органы восприятия на отдельное шасси, сцепленном с шасси, на котором размещены манипуляторы - в этом случае тряска передаваться фактически не будет. В некоторых случаях органы восприятия могут размещаться на механически совершенно независимых шасси или иных приспособлениях, что максимально исключит любую возможную передачу колебаний, позволит выполнять наблюдение с любой стороны относительно манипулятора, или даже выполнять совершенно независимые наблюдательные задачи, перемещаясь независимо и отдельно от манипулятора.

Robot-manipulator_07_Front_view_of_the_top_left
Robot-manipulator_01_Front_view
Robot-manipulator_02_View_from_the_right_side
Robot-manipulator_03_View_from_the_left_side
Robot-manipulator_04_Back_view
Robot-manipulator_05_Top_view
Robot-manipulator_06_Bottom_view

Продолжение см. http://stranger-live.livejournal.com/12417.html
Tags: дистанционное присутствие, робот, робот-манипулятор
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 6 comments