Wielozdaniowe mobilne roboty do inspekcji obiektów technicznych

Transkrypt

1 Wielozdaniowe mobilne roboty do inspekcji obiektów technicznych Wojciech Moczulski 1, Wojciech Skarka 1, Mirosław Targosz 1, Wawrzyniec Panfil 1, Piotr Przystałka 1, Marek Wyleżoł 1, Marcin Januszka 1, Daniel Pajak 1 Streszczenie Artykuł zawiera opis rozwiązań konstrukcyjnych prototypów gąsienicowych robotów mobilnych Transporter oraz Explorer oraz kołowego robota Pathfinder. Prezentowana grupa robotów została wykonana przez zespół badawczy z Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej w Gliwicach we współpracy z Instytutem Technologii Eksploatacji-PIB w Radomiu, w ramach projektu badawczego nr PS/II.4.1/9/2010 "Wielozadaniowe mobilne roboty wykorzystujące zaawansowane technologie", który dotyczy opracowania i wykonania zespołu robotów mobilnych przystosowanych do monitorowania obiektów technicznych i wykonywania specjalistycznych zadań w ramach nadzoru eksploatacyjnego oraz ochrony przed zagrożeniami. 1. WPROWADZENIE Roboty mobilne znajdują coraz szersze zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w codziennym życiu. Często stosowane są w miejscach i sytuacjach, gdzie działanie człowieka może być dla niego niebezpieczne, uciążliwe lub wręcz niemożliwe [1]. Roboty takie mogą służyć więc do penetracji obiektów publicznych lub strategicznych, na których może wystąpić zagrożenie dla człowieka (np.: skażenie powietrza, pożar, groźba zawalenia itd.), czy do inspekcji miejsc, gdzie dostęp człowieka jest ograniczony, tj.: kanałów wentylacyjnych lub dymowych, rurociągów itd.[2]. Wykorzystanie robotów inspekcyjnych do monitorowania i kontroli obiektów pozwala zastąpić tradycyjne metody ochrony i kontroli obiektów, tj. patrole straży, monitoring przy użyciu stacjonarnych kamer przemysłowych, czy kontrole obszarów z wykorzystaniem inteligentnych czujników [3]. Wykorzystanie robotów w zadaniach obrony przed zagrożeniem i ratowniczych może również znacznie ułatwić pracę człowiekowi (służbom obrony, ratownikom). W takim przypadku roboty mogą znacznie usprawnić W artykule zaprezentowano wyniki prac rozwojowych zrealizowanych w ramach projektu nr PS/II.4.1/9/2010 "Wielozadaniowe mobilne roboty wykorzystujące zaawansowane technologie" współfinansowane przez Unię Europejska ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz wyniki wybranych prac w ramach badań statutowych Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn 1 Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechnika Śląska w Gliwicach. (wojciech.moczulski@polsl.pl, wojciech.skarka@polsl.pl, miroslaw.targosz@polsl.pl, wawrzyniec.panfil@polsl.pl, piotr.przystalka@polsl.pl, marek.wylezol@polsl.pl, marcin.januszka@polsl.pl, daniel.pajak@polsl.pl)

2 W. Moczulski i in. i przyspieszyć procesy decyzyjne, umożliwiając kontrolę i wgląd w obszar objęty zagrożeniem [4]. Na świecie podejmowane są liczne próby opracowania robotów mobilnych wspomagających człowieka w realizacji niebezpiecznych zadań. W kraju największym producentem robotów mobilnych jest Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów, w którym wytwarzane są m.in.: komercyjne roboty pirotechniczne Inspector i Expert, rozpoznawcze Scout, oraz pirotechniczno-rozpoznawcze IBIS [7]. Na świecie jednym z wiodących producentów robotów mobilnych jest firma Remotec, wytwarzająca m.in. małego robota insopekcyjnego MiniAndros oraz dużego robota Wheelbarrow [6]. Na rynku europejskim dostępne są również komercyjne wersje robotów [6]: firmy Cybernetix, m.in roboty interwencyjne RM35 i Castor, firmy PW Allen-Vanguard, m.in sześciokołowe roboty HOBO i Defender, firmy ABP m.in roboty Bison i Cyclops, roboty firmy irobot [8] oraz wiele innych [9, 11]. Niniejszy artykuł prezentuje efekty prac prowadzonych przez grupę badawczą z Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej w Gliwicach oraz Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu. Prace te realizowane są w ramach projektu badawczego "Wielozadaniowe mobilne roboty wykorzystujące zaawansowane technologie" rozpoczętego w 2010 roku. 2. GRUPA ROBOTÓW Celem realizacji projektu jest wykonanie grupy wielozadaniowych mobilnych robotów w niekomercyjnych wersjach prototypowych. Grupa ta składa się z jednego robota transportowego (Transporter), jednego robota eksploracyjnego (Explorer) oraz dwóch małych robotów monitorujących (Pathfinder). Na etapie koncypowania opracowano założenia co do zakresów funkcjonalności robotów, w tym m.in.: przeznaczenia poszczególnych robotów oraz całej grupy, warunków pracy, sposobów sterowania i poruszania się, rodzajów i zasad współdziałania grupy robotów, wstępnych parametrów systemów komunikacji oraz lokalizacji. Zespół projektowy opracował przykładowe scenariusze misji dla robotów, tj: przewóz ładunków niebezpiecznych, pobranie próbek na skażonym terenie, detekcja i lokalizacja wycieków instalacji chemicznych oraz zagrożenia pożarowego, lokalizacja osób poszkodowanych na terenie gruzowiska, pogorzeliska, monitorowanie pomieszczeń i przestrzeni otwartych, wizualna ocena stanu otoczenia itp. W ramach dalszych prac dokonano analizy stanu wiedzy oraz opracowano konstrukcje robotów Transporter, Explorer i małego robota kołowego Pathfinder. W tabeli 1 zaprezentowano podstawowe wymagania funkcjonalności robotów, które stanowiły punkt wyjścia do założeń projektowo-konstrukcyjnych. Dla założonego zestawu funkcji robotów Transporter i Explorer zdecydowano się na zastosowanie dla obu robotów wspólnej gąsienicowej platformy bazowej, prototyp pokazano na rysunku 1. W skład prototypowej grupy robotów będą wchodzić robot Transporter Explorer oraz dwa roboty Pathfinder, natomiast o wykorzystaniu dostępnych zasobów de-

3 Wielozdaniowe mobilne roboty do inspekcji obiektów technicznych Rys. 1. Platforma gasienicowa dla robota Transporter oraz Explorer cyduje operator podczas wykonywania poszczególnych zadan. W tabeli 2 zestawiono przykładowe misje i wykorzystanie robotów przy ich realizacji. System sterowania zaprojektowany jest w taki sposób, aby było moz liwe dynamiczne włacza nie/wyłaczanie kolejnych robotów w miare zaistniałej potrzeby, struktura i sposób współpracy robotów nie jest sztywno okres lony, w przyszłos ci podczas zastosowan przemysłowych liczba i rodzaj robotów moz e byc okres lony przez zamawiajacego Robot Transporter Biorac pod uwage przykładowe misje, sprecyzowano przeznaczenie poszczególnych robotów. Robot Transporter przeznaczony jest do pobierania i transportu robotów typu Pathfinder oraz pobierania przedmiotów niebezpiecznych do specjalnego kosza na robocie i ich transportu do wskazanego miejsca docelowego. Robot wyposaz ony jest w manipulator o nastepujacych parametrach. Liczba stopni swobody: 5 Udz wig: 5,5 [kg] Promien działania: 1,2 [m] Dokładnos c pozycjonowania kon cówki w przestrzeni XYZ: 10 [mm] Zasilanie 24 [V] Masa manipulatora: ok. 32[kg] Zwarta i niezawodna konstrukcja Prostota sterowania manipulatora Masa całkowita robota wraz z koszem i manipulatorem wynosi ok. 125 kg, robot moz e zabrac do 25 kg dodatkowego obciaz enia [5]. Szacuje sie z e zestaw akumulatorów pozwoli na ok. dwugodzinna prace.

4 W. Moczulski i in. Tab. 1. Wymagania dotyczące funkcjonalności robota Transporter i Explorer Warunki pracy: warunki terenowe: zalegający śnieg, błoto, piasek, tereny leśne o umiarkowanym zagęszczeniu runa leśnego i zróżnicowanej ściółce, podłoże trawiaste, podłoże kamieniste lub inne utwardzone, obszary o różnorodnej formie ukształtowania: umiarkowane pagórki, grzędy, rowy itp., praca w terenie otwartym, praca w pomieszczeniach oraz ich obszarach o różnym stopniu oświetlenia i widoczności, temperatura otoczenia: od -5 do 40 C, warunki atmosferyczne: średni opad śniegu lub deszczu, umiarkowany wiatr, mgła, poruszanie się w budynkach (pokonywanie standardowych otworów drzwiowych oraz schodów), typowe przeszkody w terenie otwartym i w budynkach. Zasilanie: możliwość łatwej wymiany akumulatorów, akumulatory doładowywane na robocie z zewnętrznego źródła zasilania, zasilanie awaryjne z pominięciem akumulatorów, monitorowanie stanu akumulatorów. Tryby sterowania: sterowanie manualne za pomocą panelu operatora z możliwością podłączenia kontrolera typu gamepad, sterowanie autonomiczne proste - odnajdywanie pozycji umożliwiającej komunikację z operatorem. Komunikacja: sposób komunikacji: bezprzewodowy, zasięg robot-operator: 500 m w terenie otwartym (200 m dla robotów Pathfinder), 50 m w typowym budynku, szybkość transmisji umożliwiająca płynne przesyłanie w czasie rzeczywistym rozkazów sterujących od operatora do robota, odczytów sensorów otoczenia, sensorów specjalistycznych i stanu robota do operatora, strumienia wideo z robota do operatora, odporność na zakłócenia, których źródłem w szczególności mogą być układy wykonawcze i pomiarowe robota, urządzenia pracujące w otoczeniu robota oraz w otoczeniu operatora Robot Explorer Robot typu Explorer przeznaczony jest do inspekcji wizyjnej obiektów z możliwością pobierania próbek gleby, detekcji różnego rodzaju zagrożeń, np. nadmiernego stężenie CO, zagrożenia pożarowego. Aby robot mógł wykonywać zaplanowane działanie, skonstruowano układ mechatroniczny przeznaczony do pobierania nienaruszonych próbek gleby przy użyciu próbnika rdzeniującego. Umożliwia on pobranie wierzchniej próbki gleby o średnicy 40 mm na głębokość 200 mm. Gleba umieszczana jest w specjalnej wyściółce z tworzywa sztucznego. Próbka gleby w wyściółce po wyko-

5 Wielozdaniowe mobilne roboty do inspekcji obiektów technicznych Tab. 2. Wykorzystanie robotów Transporter, Explorer i Pathfider w realizacji przykładowych misji Transporter Explorer Pathfinder przewóz ładunków niebezpiecznych pobranie próbek na skażonym terenie detekcja i lokalizacja wycieków instalacji chemicznych oraz zagrożenia pożarowego lokalizacja osób poszkodowanych na terenie gruzowiska, pogorzeliska monitorowanie pomieszczeń i przestrzeni otwartych wizualna ocena stanu otoczenia Rys. 2. Robot Transporter naniu misji może być w łatwy sposób przekazana do laboratorium, np. celem analizy składu chemicznego. Dla robota Explorer zaprojektowany został specjalny układ do montażu czujników. Układ ten ma za zadanie umożliwić łatwe mocowanie czujników i przezbrajanie wyposażenia robota. Innym ważnym zadaniem tego układu jest unifikacja i typizacja komunikacji i zasilania różnego rodzaju czujników. Przeprowadzone badania pozwoliły na opracowanie typoszeregu modułów mocujących umożliwiających zamocowanie wielu różnorodnych czujników. Na rysunku 3 zaprezentowano model robota Explorer z głowicą do poboru próbek gleby Robot Pathfinder Robot ten wyróżnia się modułową budową korpusu oraz prostym układem napędowym i jezdnym. Konstrukcja robota zapewnia jego mobilność w pozycji standardowej oraz odwróconej, a także w trudnych warunkach: podwyższona temperatura, wilgotne środowisko. W robocie zastosowano układ napędowy składający się z czterech niezależnie napędzanych i nieskrętnych kół, mocowanych do wałów wyjściowych zestawu silnik-przekładnia. Układ zasilania robota stanowią akumulatory litowe o napięciu 12 V. Pojemność akumulatorów dobrana została tak, aby zapewniać pracę robota przez min. jedną godzinę. Konstruując korpus robota Pathfinder przewidziano mocowanie

6 W. Moczulski i in. Rys. 3. Robot Explorer kamer, mikrofonów i głośników, akumulatorów, komputera sterującego oraz pozostałych układów elektronicznych. W związku z możliwymi do wystąpienia zagrożeniami w środowisku działania robota istnieje duże ryzyko jego uszkodzenia (np. w wyniku spalenia czy wybuchu). Przyjęte warunki wymusiły rozwiązanie, które zapewnia prostotę budowy robota i jednocześnie niski koszt jego wykonania. Rys. 4. Robot kołowy Pathfinder 3. ŚRODOWISKO SYMULACYJNE W ramach projektu prowadzono badania w środowisku symulacyjnym MRDS (Microsoft R Robotics Developer Studio). W środowisku opracowano modele wszystkich projektowanych robotów. Ich reprezentacja wizualna oraz fizyczna przedstawione są na rysunku 5. Napędy gąsienicowe (reprezentacja fizyczna) zamodelowano w sposób uproszczony za pomocą 2-rzędowych zestawów kół. Postąpiono tak ze względu na przewidywaną znaczną złożoność pamięciową oraz obliczeniową modelu gąsienicy, który wiernie odwzorowywałby rzeczywistą gąsienicę. Zostały przygotowane cztery wersje kół. Na rysunku 5 widoczna jest ostateczna wersja koła zamodelowanego za pomocą szeregu prostopadłościanów umieszczonych na średnicy koła. Symulacje w środowisku MRDS były przeprowadzane już w fazie koncepcyjnej sprawdzając

7 Wielozdaniowe mobilne roboty do inspekcji obiektów technicznych Rys. 5. Modele platform robotów Pathfinder oraz Explorer (Transporter) - reprezentacja wizualna oraz fizyczna poszczególne wersje robotów na ich potencjalne zachowanie w warunkach rzeczywistych, np. pokonywanie przeszkód takich jak schody (rysunek 6), krawez niki, sposób zawracania na róz nym podłoz u, sposób ustawienia i widocznos ci kamer, itp. Rys. 6. Symulacja pokonywania schodów przez platforme gasienicowa - reprezentacja wizualna oraz fizyczna Opracowane s rodowisko symulacyjne słuz y równiez w fazie projektowania i testowania algorytmów sterowania. S rodowisko MRDS pozwala na w miare bezproblemowy transfer oprogramowania na rzeczywiste roboty. Czes c z przykładowych misji była zasymulowana w s rodowisku i jest wykorzystywana podczas dalszych prac. 4. PODSUMOWANIE Niniejszy artykuł prezentuje wyniki prac dotyczacych rozwiazan konstrukcyjnych wielozadaniowych robotów mobilnych wykorzystujacych zaawansowane technolo-

8 W. Moczulski i in. gie. Opracowane roboty pozwalają wspomagać człowieka w realizacji zadań w środowisku mogącym stwarzać zagrożenie. W przypadku robotów tego typu istotnym warunkiem ich przydatności jest możliwość działania w różnorodnych warunkach terenowych (zapewnienie odpowiednich właściwości jezdnych) i atmosferycznych. Łatwość demontażu i ponownego montażu systemów wykonawczych robota jest czynnikiem równie często decydującym o przydatności robota. Aby roboty mogły być powszechnie wykorzystywane, celowe wydaje się poszukiwanie takich rozwiązań, które nie będą wymagały dużych nakładów finansowych i będą stosunkowo łatwe w realizacji. Opracowane wielozadaniowe roboty mobilne spełniają wymienione kryteria. Opracowane oryginalne rozwiązanie będzie stanowić bazę do budowy specjalizowanych robotów mobilnych, których fizyczne prototypy przewidziane są jako rezultat końcowy zadania badawczego. Dotychczasowe efekty pracy zespołu oraz dodatkowe informacje można znaleźć na stronie własnej projektu [10]. LITERATURA [1] J. Giergiel, K. Kurc, M. Giergiel. Mechatroniczne projektowanie robotów inspekcyjnych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. Rzeszów [2] M. Januszka. Mechanical carrier of an autonomous mobile robot for inspecting technical objects, Problemy Eksploatacji 3(70), 2008, s [3] M. Januszka, M. Adamczyk, W. Moczulski. Nieholonomiczny autonomiczny robot mobilny do inspekcji obiektów technicznych. Problemy Robotyki, K. Tchoń i C. Zieliński (red.), Tom 1, z. 166, Warszawa 2008, s [4] W. Moczulski et al. Autonomous mobile robots for Inspecting Industrial Objects, A. Mazurkiewicz (Ed.): Technological Innovations for Sustainable Development, ITeE-PIB, Polska-Izrael, 2009, s [5] M. Targosz et al. Konstrukacja platformy nośnej robotów mobilnych. Wybrane Problemy Inżynierskie, Vol. 2, Gliwice 2011, s [6] M. Trojnacki, P. Szynkarczyk, A. Andrzejuk. Tendencje rozwoju mobilnych robotów lądowych. PAR, 6/2008, s [7] [8] [9] [10] [11] MOBILE ROBOTS FOR TECHNICAL INSPECTIONS The paper deals with the design of a caterpillar mobile robots Transporter and Explorer and wheeled robot Pathfinder. The group has been developed by a research team from the Department of Fundamentals of Machinery Design, Silesian University of Technology and Institute for Sustainable Technologies-National Research Institute in Radom, within the framework of project No. RC/2/II.4.1/PS "Multifunctional mobile robots using advanced technologies that concerns the development and make of a group of mobile robots suitable for monitoring technical objects and carrying out specialized tasks in the framework of exploitation supervision and protection against risks.