W. Moczulski, W. Skarka, A. Timofiejczuk, A. Bzymek, P. Przystałka, M. Wyleżoł, M. Adamczyk, W. Jamrozik, M. Januszka, D. Pająk, W. Panfil, M. Targosz, R. Wiglenda, Systemy mechatroniczne wielozadaniowych robotów mobilnych, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 4(85), 2011, s.47-58 Wojciech MOCZULSKI 1, Wojciech SKARKA 2, Anna TIMOFIEJCZUK 3, Anna BZYMEK 4, Piotr PRZYSTAŁKA 5, Marek WYLEŻOŁ 6, Marek ADAMCZYK 7, Wojciech JAMROZIK 8, Marcin JANUSZKA 9, Daniel PAJĄK 10, Wawrzyniec PANFIL 11, Mirosław TARGOSZ 12, Rafał WIGLENDA 13 SYSTEMY MECHATRONICZNE WIELOZADANIOWYCH ROBOTÓW MOBILNYCH l. Wstęp Roboty mobilne znajdują coraz szersze zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, techniki, wojskowości czy też codziennego życia. Często stosowane są w miejscach i sytuacjach, gdzie działanie człowieka może być dla niego monotonne, niebezpieczne, uciążliwe lub wręcz niemożliwe. Roboty takie mogą służyć więc do penetracji obiektów publicznych, przemysłowych lub strategicznych, na których może wystąpić zagrożenie dla człowieka (np.: skażenie powietrza, pożar, groźba zawalenia itd.) czy też do inspekcji miejsc, gdzie dostęp człowieka jest ograniczony, tj.: kanałów wentylacyjnych lub dymowych, rurociągów itd.[2]. Ze względu na swe coraz szersze zastosowania, konstrukcja robotów mobilnych staje się bardziej złożona. Roboty takie zawierają w sobie podzespoły typowo mechaniczne (np. kadłub, gąsienica, podwozie itp.), typowo elektroniczne (czujniki, kamery, jednostki sterujące itp.) ale również podzespoły, które ze względu na swoją mieszaną strukturę należy nazywać mechatronicznymi (serwomechanizmy, siłowniki, napędy, czujniki, lokalizatory itp.). Niniejszy artykuł prezentuje wybrane efekty prac prowadzonych przez grupę badawczą Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej w Gliwicach oraz Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu. Prace te były i dalej są realizowane - w ramach projektów badawczych Zespół specjalizowanych robotów mobilnych do inspekcji grupowej obiektów technicznych (realizowany w latach 2004-08) oraz Wielozadaniowe mobilne roboty wykorzystujące zaawansowane technologie rozpoczętego w roku 2010. 2. Systemy mechatroniczne zespołu specjalizowanych robotów mobilnych do inspekcji grupowej obiektów technicznych 2.1. Grupa robotów Grupa robotów składała się z robota transportowego oraz robotów inspekcyjnych. Robot transportowy służył do przewozu robotów inspekcyjnych na miejsce realizacji ich misji. Robot transportowy Konstrukcja robota transportowego (rys. 1) obejmowała następujące układy [1]: a) zawieszenia podwozia, b) napędowy, c) jezdny, d) rampę wjazdową wraz z jej napędem, e) zasilania (zespół akumulatorów) oraz f) karoserię. 1 ) prof. dr hab., Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 2 ) dr hab. inż., prof. Pol. Śl., Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 3-6 ) dr inż., Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 7-13 ) mgr inż., Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej
Rama nośna została skonstruowana w postaci kratownicowej. Wykonano ją z dostępnych na rynku profili (stop aluminium PA38) połączonych techniką spawania TIG. Przyjmując postać konstrukcyjną ramy nośnej tego robota, przewidziano miejsca do osadzenia dwóch akumulatorów prądu stałego. Rampa wjazdowa została skonstruowania w postaci ażurowej, wzmocnionej żebrami (wszystkie elementy wykonano ze stopu PA38). Do wykonania mechanizmu jej podnoszenia/opuszczania został wykorzystany silnik z kołem, na który nawijana jest linka stalowa. Zawieszenie układu napędowego zostało skonstruowane w postaci czterech niezależnych zespołów amortyzowanych wahaczy poprzecznych. Wszystkie elementy nośne zawieszenia wykonane zostały ze stali 18G2. Jako elementy przenoszące i tłumiące drgania zastosowano wkładki stalowo-gumowe DR-S 27x40 firmy Rosta. Układ napędowy skonstruowano w postaci osobnych zespołów (dla każdego koła) silnikprzekładnia planetarna-rama nośna. W celu wykonania układu napędowego zakupiono cztery zestawy silników prądu stałego 65/67 PF oraz przekładni planetarnych RE80 (wszystkie firmy SIBONI). Dwie pary takich zespołów zostały dodatkowo wyposażone w hamulce, a dwie następne pary w enkodery. Całość montowana jest w specjalnej ramie nośnej. Konstrukcja ramy nośnej układu napędowego umożliwia również połączenie z układem zawieszenia (za pomocą połączenia sworzniowego). Układ jezdny stanowią cztery koła samochodowe, składające się z opon rozmiaru 145/80R13 wraz z obręczami oraz piastami. Całość jest połączona standardowymi śrubami do mocowania obręczy. Piasty skonstruowano tak, aby umożliwiały połączenie poszczególnych kół z wałami przekładni planetarnych, stanowiących wyjście układu napędowego. Elementem zewnętrznym robota jest karoseria. Wszystkie jej elementy składowe wykonano z blachy aluminiowej. Karoserię połączono z ramą nośną za pomocą nitów. Rys. 1. Prototypowy robot transportowy z wyszczególnionymi układami Robot inspekcyjny Robot inspekcyjny [2, 3] składa się z następujących elementów i podukładów (rys. 2): a) korpus, b) układ napędowy, c) układ jezdny, d) układ zasilania, e) system detekcji otoczenia, f) podsystem samolokalizacji podczas wjeżdżania do robota transportowego oraz g) uniwersalny system mocowania czujników i kamer. Korpus robota został wykonany z blachy aluminiowej o grubości 2 mm, poprzez cięcie laserowe, a następnie łączenie elementów za pomocą nitów. Przyjmując postać konstrukcyjną
korpusu, przewidziano miejsca do montażu: czujników wchodzących w skład układu detekcji otoczenia, akumulatorów, układów elektronicznych oraz elementów mocujących silniki. Na korpusie zamocowano moduł uniwersalnego systemu mocowania czujników i kamer. Układ napędowy stanowią cztery niezależnie silniki prądu stałego z przekładniami planetarnymi (Buehler 1.61.077.714). Każdy silnik został przymocowany do korpusu za pomocą specjalnie zaprojektowanych elementów mocujących. Dla robota inspekcyjnego zaprojektowano i wykonano obręcze kół, które zostały zamocowane przy użyciu śrub dociskowych bezpośrednio na czopach wałów przekładni planetarnych (stanowiących wyjście z układu napędowego). Na obręcze nałożono opony z bieżnikiem pozwalającym na poruszanie się w różnorodnych warunkach terenowych. Obręcze posiadają standardowe wymiary (2,2 cala) i dostosowane są do opon stosowanych w modelarstwie (co umożliwia łatwą zamianę opon na opony z innym bieżnikiem). Robot inspekcyjny zasilany jest za pomocą dwóch akumulatorów żelowych (każdy o napięciu 12V i pojemności 1,3Ah) umiejscowionych w bocznych częściach korpusu. Rys. 2. Prototypowy robot inspekcyjny z wyszczególnionymi układami 2.2. System sterowania System sterowania robotów został złożony z wielu podsystemów, spełniających odrębne zadania. Można w nim wyróżnić: warstwę fizyczną (sprzętową), warstwę aplikacji oraz warstwę użytkownika [4,5]. Poszczególne warstwy zostały dalej omówione. Warstwa fizyczna (sprzętowa) System sterowania robota transportowego zbudowany został w oparciu o komputer modułowy firmy AAEON model AEC-6910 z procesorem Pentium M 1.8 GHz. Zastosowano w nim chłodzenie pasywne, w wytrzymałej antywstrząsowej obudowie. Komputer posiada jedno złącze PCI, dwa złącza PCMCIA, Ethernet, cztery COM i cztery USB. Łączność z robotem zapewnia sieć bezprzewodowa, dzięki umieszczeniu na nim routera Wi-Fi. Obsługuje on także transmisję sygnału sterującego i sygnałów wideo z kamer systemu stereowizyjnego oraz z dodatkowych kamer. Wejścia i wyjścia analogowych i cyfrowych sygnałów (w tym z czujników systemu detekcji otoczenia) podłączone zostały do dwóch modułów akwizycji danych firmy Janbit model USB-1208FS. Wszystkie podzespoły elektroniczne robota zasilane są z przetwornicy DC/DC, która zabezpiecza układ przed zwarciami, spadkami i skokami napięcia. Do komputera podłączono również sterowniki silników (4q controller). System sterowania robotów inspekcyjnych zbudowano w oparciu o palmtopy Toshiba G900 pracujące pod kontrolą systemu Windows CE. Palmtopy wyposażone zostały w złącza
USB host, poprzez które połączony został układ wejść-wyjść (ATMEL AT90USBKey) do akwizycji sygnałów z czujników robota oraz sterowniki silników (mostki Pololu VNH3SP30). Dodatkowo palmtopy wyposażono w karty komunikacyjne: sieciową, bluetooth oraz modem GPRS. W środowisku Windows zainstalowano oprogramowanie Microsoft Robotics Developer Studio 2008 jako podstawowy system sterownia. Warstwa aplikacji (oprogramowanie) W celu opracowania systemu sterowania ruchem robota (-ów) zastosowano podejście oparte na zachowaniach (ang. behavior-based control). Sterownik robota posiada więc szereg zaimplementowanych zachowań (algorytmów sterowania), które pozwalają na osiągnięcie wyznaczonego celu lub wykonywanie określonego zadania. Jako wejścia do takich zachowań służą informacje o wykonywanym zadaniu, o stopniu jego realizacji, informacje z podsystemów nawigacji, rozpoznawania i detekcji otoczenia, samolokalizacji robotów oraz czujników zamontowanych na robocie. Na podstawie informacji wejściowych generowane są wyjścia będące komendami/operacjami sterującymi ruchem robotów (kierunki obrotów silników/kół oraz prędkości obrotowe silników). W przypadku robota transportowego opracowano dwa warianty każdego z algorytmów sterowania: zachowań podstawowych oraz zachowań nadmiarowych używanych podczas rekonfiguracji systemu sterowania przez system detekcji oraz identyfikacji uszkodzeń. Weryfikację działania algorytmów wykonano w środowisku MS Robotics Developer Studio 2008 (MRDS). Realizacja systemu sterowania wymagała opracowania kilku sterowników (serwisów MRDS) służących do obsługi urządzeń w MRDS: urządzeń we/wy USB 1280fs służących do akwizycji danych z czujników oraz sterowania innymi urządzeniami, laserowego skanera odległości SICK LD-OEM1000 (komunikacja poprzez RS232, USB) oraz termometru Dallas DS18B12 wraz z interfejsami (GUI) dla każdego urządzenia. Warstwa użytkownika (interfejs, baza danych) Graficzny interfejs użytkownika umożliwia: wizualizację przestrzeni roboczej grupy robotów, tworzenie scenariuszy misji, uruchamianie misji, obserwację aktualnego stanu misji, wizualizację czujników robotów oraz magazynowanie informacji zbieranych przez roboty. Zastosowanie MRDS umożliwia wizualizację przestrzeni roboczej robotów w formie trójwymiarowej mapy. Interfejs umożliwia tworzenie scenariuszy misji poprzez wskazywanie punktów docelowych i wyznaczanie zadań, które roboty mają w tych miejscach wykonać. Utworzony scenariusz misji można więc uruchomić i obserwować postęp jego wykonania. Aplikacja sterująca zawiera okna z podglądem obrazu ze wszystkich kamer zamontowanych na robotach. Wszystkie informacje dotyczące scenariusza misji, jej przebiegu, danych z sensorów oraz kamer podlegają archiwizacji. Do tego celu wykonano bazę danych z użyciem systemu zarządzania bazami danych MySQL. Aplikacja zawiera również okna wizualizujące działanie czujników gromadzących dane z otoczenia robotów oraz z czujników umożliwiających diagnozowanie stanu robota transportowego. Interfejs użytkownika został wykonany z użyciem systemów MS Visual Studio 2008, Robotic Development Studio oraz Expression Blend. 2.3. System komunikacji Podczas wykonywania systemu komunikowania się grupy robotów [4,5] przyjęto dwa
kryteria jego wykonania: bezpieczeństwo oraz niezawodność transmisji danych. Do realizacji tego zadania zastosowano tani, prosty i stosunkowo niezawodny system komunikacji pomiędzy zespołem specjalistycznych robotów mobilnych a komputerem, na którym aplikacja operatora pozwala śledzić najważniejsze parametry realizowanych misji. Komunikacja pomiędzy robotem transportowym, a komputerem operatora oraz pomiędzy robotami inspekcyjnymi oraz robotem transportowym została wykonana z użyciem standardu Wi-Fi 802.11b/g z szyfrowanym połączeniem. Na robocie transportowym umiejscowiono bezprzewodowy router, który pozwolił na podłączenie dodatkowych urządzeń za pomocą standardowego złącza Ethernet. Natomiast roboty inspekcyjne wyposażono w palmtopy z bezprzewodowymi kartami sieciowymi. Zasięg takiego systemu komunikacji zależny jest od używanych anten nadawczo-odbiorczych (stosując standardowe anteny, osiągnięto zasięg 50-150 m). 2.4. System lokalizacji Na podstawie analizy wymogów oraz prób i testów różnych rozwiązań koncepcyjnych opracowano dwuzadaniowy system samolokalizacji robotów. Analiza ograniczeń i wymogów systemu lokalizacji wykazała konieczność zastosowania podejścia dwukierunkowego i użycia dwóch oddzielnych rozwiązań do realizacji założonych celów. Pierwszy problem dotyczył lokalizacji robotów w czasie wykonywania misji względem robota transportowego i mapy terenu. Dokładność lokalizacji, jaka jest konieczna do osiągnięcia w tym przypadku, wymagała wykorzystania rozbudowanego systemu GPS. Drugi problem dotyczył zadania, w ramach którego robot inspekcyjny wyjeżdża z ładowni robota transportowego lub wjeżdża do niej. Realizacja tego zadania wymagała użycia systemu lokalizacji o zwiększonej dokładności pozycjonowania: systemu radiowo ultradźwiękowego. Podsystem samolokalizacji z użyciem GPS Opracowany system samolokalizacji oparto na budowanym w Polsce systemie precyzyjnego pozycjonowania satelitarnego ASG-EUPOS (European Position Determination System). W wykonanym systemie samolokalizacji zastosowano usługę NAWGIS/KODGIS, pozwalającą na przesyłanie danych korekcyjnych w czasie rzeczywistym, a także w postprocessingu. Do budowy systemu samolokalizacji użyto odbiorników dgps (GLOBAL TOP FGPMMOPA6) wykorzystujących korekcje EUPOS. Użyty układ umożliwił uzyskanie dużych dokładności (ok. 0,25 m). Zastosowano 66-kanałowy odbiornik. Każdy z robotów inspekcyjnych wyposażony jest w jeden odbiornik, natomiast robot transportowy posiada dwa moduły dgps. Poprawki z systemu EUPOS dla robotów inspekcyjnych pobierane są poprzez sieć Internet. Roboty inspekcyjne mają dostęp do sieci Internet poprzez połączenie udostępniane za pośrednictwem robota transportowego. W przypadku zerwania połączenia, możliwe jest pobieranie poprawek z Internetu poprzez modem GPRS w palmtopie zamontowanym na każdym z robotów. Podsystem samolokalizacji ultradźwiękowo-radiowy System ultradźwiękowo radiowy samolokalizacji opracowany został w celu zwiększenia dokładności podczas wjeżdżania/wyjeżdżania robota inspekcyjnego do komory ładunkowej robota transportowego. Opracowane rozwiązanie bazuje na wyznaczeniu odległości na podstawie różnicy czasu propagacji fali ultradźwiękowej i fali elektromagnetycznej. Zastosowano tu 3 nadajniki o znanej pozycji. Z chwilą określenia odległości lokalizowanego obiektu względem nadajników możliwe jest wykonanie obliczeń trygonometrycznych umożliwiających jednoznaczne określenie położenia robota w obszarze działania. Opracowane rozwiązanie pozwala na lokalizację robotów inspekcyjnych znajdujących się
w odległości do 5m od robota transportowego z dokładnością do 0,02 m. Dodatkowo zapewniona została identyfikacja poszczególnych robotów inspekcyjnych. Robot nadrzędny jest nieruchomy podczas lokalizowania robotów inspekcyjnych, a jego pozycja jest znana i stanowi układ odniesienia. Robot transportowy jest wyposażony w odpowiednie urządzenia nadawcze (3 nadajniki ultradźwiękowe - każdy nadajnik składa się z 2 przetworników 40ST-12), uzupełnione o jednostkę sterującą oraz układ zasilania. Każdy z robotów mobilnych wyposażony jest w urządzenia odbiorcze (4 przetworniki ultradźwiękowe typu 40SR-12) oraz jednostkę do pomiaru czasu przesunięcia. Roboty mobilne wyposażono w nadajniki radiowe do bezprzewodowej transmisji danych o zmierzonym przemieszczeniu. Do pomiaru odległości, oprócz fali ultradźwiękowej, niezbędny jest także sygnał znacznika jej nadania. Oprócz wiązki sygnałów ultradźwiękowych roboty wysyłają więc informację drogą radiową o czasie rozpoczęcia nadawania sygnałów. Na podstawie czasu odebrania sygnału ultradźwiękowego i czasu przekazanego drogą radiową obliczana jest odległość od danego źródła sygnału. Dzięki informacji o trzech odległościach od odbiorników można dokonać triangulacji pozycji robota inspekcyjnego z dużą dokładnością. Informacje te trafiają drogą radiową do jednostki centralnej, gdzie są konwertowane do standardu UART i przesyłane dalej do innych jednostek wchodzących w skład całej grupy mobilnej. 2.5. System detekcji i rozpoznawania otoczenia Dla grupy robotów wykonano systemy pozyskiwania danych o stanie ich otoczenia oraz o pozycji robotów względem otoczenia. Układ detekcji otoczenia dla robotów inspekcyjnych Aby autonomiczny robot inspekcyjny mógł w pełni działać bez udziału operatora, niezbędna jest wiedza o jego otoczeniu oraz o jego pozycji w tym otoczeniu. Do budowy systemu detekcji otoczenia dla robotów inspekcyjnych zastosowano 6 czujników podczerwieni o różnym zakresie pomiarowym (2x Sharp GP2D12 i 4x Sharp GP2D120) oraz jeden ultradźwiękowy czujnik odległości (Sonar MOBOT-US). Czujniki te posłużyły do wykrywania przeszkód i oszacowania odległości od nich. Dodatkowo roboty inspekcyjne wyposażone zostały w czujniki pozwalające na identyfikację orientacji robotów w bezwzględnym układzie współrzędnych (akcelerometr MXR9500M oraz żyroskop ADXRS300). Czujniki te pozwoliły na określenie odchylenia robota od bezwzględnego położenia poziomego oraz ustalenie nachylenia platformy względem pokonywanego terenu poprzez pomiar składowej statycznej przyspieszenia ziemskiego w trzech osiach równoległych do osi układu współrzędnych robota. Wszystkie czujniki podłączone zostały do modułu akwizycji sygnałów analogowych podłączonego do palmtopa poprzez złącze USB. Układ detekcji dla robota transportowego Podstawowym czujnikiem robota transportowego, służącym do detekcji przeszkód i odległości od nich, jest laserowy czujnik SICK LD-OEM 1000. Może on wykrywać różne przeszkody, także i te które nie zostały zaznaczone na wcześniej opracowanej mapie terenu. Zakres działania czujnika wynosi 0,5-8 m przy kącie działania 360. Oprócz czujnika laserowego robot wyposażono w dwa ultradźwiękowe czujniki odległości (Sonar MOBOT-US) umieszczone z tyłu ułatwiające mu bezkolizyjne cofanie oraz pięć czujników odległości (Sharp GP2Y0A02, o zasięgu działania do 1,5 m) działających w podczerwieni. Wyniki działania podsystemu detekcji otoczenia są przekazywane do systemu sterowania, umożliwiając podjęcie odpowiednich działań (zachowań), mających na celu ominięcie przeszkody, wybór planu poruszania się itp. Podsystem detekcji otoczenia robota transportowego wspomagany jest również przez czujniki pozwalające na identyfikację przestrzennego położenia robota w bezwzględnym
układzie współrzędnych. Wszystkie czujniki podłączono poprzez moduły akwizycji sygnałów (Janbit USB-1208FS) do komputera znajdującego się na robocie. Układ rozpoznawania otoczenia dla robota transportowego Układ rozpoznawania otoczenia stanowi uzupełnienie układu detekcji. Jego warstwę sprzętową stanowią dwie miniaturowe kamery płytkowe (520 linii TV, 0.3 Lux, z szerokokątnym obiektywem 2,8 mm odpowiadający kątowi widzenia 96 ) oraz czterokanałowy serwer video Vivotek ST2403. Analogowy sygnał pozyskiwany jest z kamer do komputera operatora jako strumień Motion JPEG. Sygnał przesyłany jest z serwera wideo łączem Fast Ethernet. Niedokładności geometryczne związane z rejestracją obrazu przez kamery wymagały stosownej korekcji. W tym celu wykonano kalibrację kamer z wykorzystaniem wzorca o znanych rozmiarach. Dodatkowo w celu wyeliminowania niedokładności zamontowania kamer wykonana została rektyfikacja do postaci kanonicznej każdej zarejestrowanej pary obrazów stereoskopowych. Wszystkie procedury programowe związane z przygotowaniem obrazów do przetwarzania zostały zaimplementowane w języku C++, z wykorzystaniem biblioteki OpenCV. 2.6. System detekcji uszkodzeń i rekonfiguracji System sterowania odpornego na uszkodzenia wykonano tylko dla robota transportowego. Układ sterowania tolerującego uszkodzenia podzespołów robota utworzyły: podstawowe i nadmiarowe sensory oraz karty pomiarowe, moduł detekcji i lokalizacji uszkodzeń oraz moduł rekonfiguracji systemu sterowania. Rekonfiguracja układu sterowania polega na odpowiedniej adaptacji kontrolera bazującego na zachowaniach do aktualnego stanu technicznego robota. W tym celu robot wyposażono w dwa układy akwizycji (USB-1208FS) oraz sensory odległości (dwa boczne sensory podczerwieni typu GP2Y0A02 oraz dwa przednie i dwa tylne sensory ultradźwiękowe typu MOBOT-US). W systemie sterowania dokonano reprezentacji zbioru uszkodzeń, wytypowanego na podstawie analizy drzewa uszkodzeń oraz wyznaczonych miar określających wpływ danych niesprawności na działanie transportera. Detekcja i lokalizacja uszkodzeń realizowana jest dla trzech grup sensorów i urządzeń. Dla pierwszej grupy (laserowy czujnik skanujący, sterowniki silników, karty pomiarowe) skorzystano z istniejących bibliotek umożliwiających samodiagnostykę. Dla drugiej i trzeciej grupy (m.in. dalmierze, sonary, czujniki temperatury, enkodery) zastosowano podejścia znane z diagnostyki procesów i diagnostyki maszyn. Polega to na tym, że sygnały generowane za pomocą czujników przetwarzane są wstępnie w celu ich normalizacji i filtracji oraz przesyłane na wejścia modeli neuronowych utworzonych dla poszczególnych uszkodzeń. Wyjścia modeli neuronowych porównywane są z sygnałami rzeczywistymi, tworząc stosowne residua. Ich wartości przekazywane są do bloku oceniającego zrealizowanego za pomocą systemu rozmytego Mamdaniego. Silniki robota diagnozowane są z zastosowaniem podejścia charakterystycznego dla diagnostyki maszyn (wstępnie przetworzone sygnały z przetworników prądowych, czujników temperatury, enkoderów oraz informacje z systemu GPS stosowane są do wyznaczenia cech relewantnych). W następnej fazie cechy wrażliwe na uszkodzenia używane są w bloku wnioskowania rozmytego zrealizowanego za pomocą algorytmu Mamdaniego. Wszystkie komponenty modułu detekcji i lokalizacji uszkodzeń zaimplementowane są w języku C# w środowisku MRDS. Wynik detekcji i lokalizacji uszkodzeń (wektor uszkodzeń) przekazywany jest do modułu rekonfiguracji. Baza wiedzy stosowana do rekonfiguracji systemu sterowania zapisana została w postaci tablicy decyzyjnej za pomocą serwisu MRDS. Reguły zawarte w tablicy używane są do wyboru zbiorów najlepszych zachowań do zaistniałych warunków działania robota.
3. Systemy mechatroniczne wielozadaniowych mobilnych robotów wykorzystujących zaawansowane technologie 3.1. Grupa robotów Projekt POIG Wielozadaniowe mobilne roboty wykorzystujące zaawansowane technologie dotyczy opracowania i wykonania zespołu robotów mobilnych przystosowanych do monitorowania obiektów technicznych i wykonywania specjalistycznych zadań w ramach nadzoru eksploatacyjnego oraz ochrony przed zagrożeniami. Na etapie koncypowania opracowano założenia co do zakresów funkcjonalności robotów, w tym m.in.: przeznaczenie poszczególnych robotów oraz całej grupy, warunki pracy, sposoby sterowania i poruszania się, rodzaje i zasady współdziałania grupy robotów, wstępne parametry systemów komunikacji oraz lokalizacji. Zespół projektowy opracował przykładowe scenariusze misji dla robotów, tj. przewóz ładunków niebezpiecznych, pobranie próbek na skażonym obszarze, 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 projektu zostały opracowane trzy rodzaje robotów mobilnych pełniących różne funkcje, ale współpracujących ze sobą w czasie wykonywania złożonych zadań. Grupa ta składa się z robota transportowego Transporter, robota eksploracyjnego Explorer oraz dwóch małych robotów monitorujących Pathfinder. Roboty Transporter i Explorer Biorąc pod uwagę przykładowe misje grupy robotów, sprecyzowano przeznaczenie poszczególnych robotów. Przeznaczenie robota Transporter, to pobieranie i transport robotów typu Pathfinder oraz pobieranie i transport przedmiotów niebezpiecznych. Natomiast przeznaczeniem robota typu Explorer jest inspekcja wizyjna obiektów z możliwością pobierania próbek (np. gleby), detekcja różnego rodzaju zagrożeń (np. nadmierne stężenie CO, zagrożenia pożarowe itp.). Dla założonego zestawu funkcji robotów Transporter i Explorer zdecydowano się na zastosowanie dla obu robotów wspólnej gąsienicowej platformy bazowej. Platformę nośną stanowi podwozie gąsienicowe zamocowane na ramie nośnej. Górną powierzchnię platformy mechanicznej robotów stanowi uniwersalna płyta T-rowkowana (umożliwiająca szybki i uniwersalny montaż oprzyrządowania dodatkowego - czujników, manipulatora, uniwersalnego kosza itp.). Platforma wyposażona jest w dwa rodzaje gąsienic: główne oraz pomocnicze. Gąsienice pomocnicze posiadają regulowane kątowo pochylenie w stosunku do platformy nośnej. Układ napędowy stanowią dwa niezależne silniki elektryczne 24 VDC przekazujące moment poprzez przekładnie na koła napędowe gąsienic głównych. Zmiana kąta pochylenia gąsienicy pomocniczej dokonywana jest również z użyciem silnika 24 VDC poprzez zespół przekładni. Istnieje możliwość unieruchomienia ramion gąsienic w dowolnej pozycji. Zasilanie platformy stanowią akumulatory litowo-fosforowo-żelazowe (LiFePO4) umieszczone w bocznej części robota (w specjalnie zaprojektowanych skrzyniach zajmujących przestrzeń pomiędzy gąsienicami głównymi). Transporter (rys. 3a) wyposażony jest w manipulator oraz kosz na pobrane materiały lub roboty typy Pathfinder (rys. 3c.). Natomiast Explorer (rys. 3b) posiada układ do poboru próbek gleby oraz różne czujniki montowane na płycie T-rowkowanej. Roboty 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 tj. podwyższona temperatura, wilgotne środowisko. W robocie zastosowano układ napędowy składający się z czterech niezależnie napędzanych i nieskrętnych kół, mocowanych do wałów wyjściowych zestawu silnikprzekładnia. 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 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 konieczność zbudowania robota o prostej budowie oraz niskim koszcie wykonania. 3.2. Manipulator Na robocie Transporter przewidziano montaż manipulatora pozwalającego na załadunek robotów Pathfinder lub innych niewielkich przedmiotów. Elementy nośne manipulatora zaprojektowane zostały pod kątem minimalizacji ich masy, wykorzystano lekkie stopy aluminiowe oraz kompozyty węglowe. Układy napędowe kolejnych przegubów stanowią zintegrowane układy napędowe składające się z silnika bezszczotkowego, przekładni falowej, łożyskowanej osi wyjściowej oraz enkodera absolutnego mierzącego kątową pozycję z dużą rozdzielczością. Każdy z napędów sterowany jest za pomocą sterownika zasilanego napięciem 24VDC, który umożliwia precyzyjne sterowanie. Na potrzeby Transportera opracowano chwytak pozwalający na precyzyjne uchwycenie i przenoszenie elementów. Manipulator ma 5 stopni swobody i może podnosić obiekty o masie do 5,5 kg. a) b) c) Rys. 3. Roboty Transporter (a), Explorer (b) oraz (c) Pathfinder 3.3. Układ do pobierania próbek W ramach projektu opracowano układ mechatroniczny przeznaczany do pobierania nienaruszonych próbek gleby przy użyciu próbnika rdzeniującego. Układ wykonany został przy użyciu siłowników elektrycznych 24 VDC i jest w pełni sterowany przez operatora. Umożliwia pobranie wierzchniej próbki gleby o średnicy 40 mm na głębokość 200 mm. Gleba umieszczana jest w specjalnej wyściółce z tworzywa sztucznego, która po wykonaniu misji może być w łatwy sposób przekazana do laboratorium np. celem analizy składu chemicznego. 3.4. System mocowania czujników Dla robota Explorer zaprojektowany został specjalny układ do montażu czujników. Układ ten ma za zadanie umożliwić łatwe mocowanie 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.
Najważniejsze cechy zaprojektowanego układu to: a) możliwość szybkiego i sprawnego mocowania różnorodnych czujników, b) możliwość ujednolicenia protokołu komunikacji pomiędzy różnorodnymi czujnikami, c) ujednolicenie wartości zasilania dla różnych czujników, d) zabezpieczenie czujników przed wpływem warunków atmosferycznych, e) możliwość wzbogacenia czujnika o dodatkowe funkcje np. diagnostykę torów pomiarowych czy walidację sygnałów. 4. Podsumowanie i wnioski W artykule zaprezentowano efekty prac zespołu Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej w ramach robotyki mobilnej na przykładzie ukończonych i obecnie realizowanych projektów. Realizowane prace mają interdyscyplinarny charakter, skupiając w sobie zadania o charakterze konstrukcyjnym, programistycznym, logistycznym, wykonawczym itp. Należy podkreślić że wszystkie dotychczasowe prace nie mają charakteru badań symulacyjnych, ale zakończone zostały wykonaniem i przetestowaniem fizycznych prototypów. Literatura: [l] Adamczyk M., Januszka M., Moczulski W., Panfil W., Przystałka P., Wyleżoł M.: Multi-robot group for inspecting large area objects, Problemy Eksploatacji 3(70), ITeE- PIB, 2008, s. 19-29. [2] Januszka M.: Mechanical carrier of an autonomous mobile robot for inspecting technical objects, Problemy Eksploatacji 3(70), ITeE-PIB, 2008, s. 31-38. [3] Januszka M., Adamczyk M., Moczulski W.: Nieholonomiczny autonomiczny robot mobilny do inspekcji obiektów technicznych. Problemy robotyki, K. Tchoń i C. Zieliński (red.), Tom 1, z. 166, Warszawa 2008, s. 143-152. [4] Moczulski W., Adamczyk M., Januszka M., Panfil W., Przystałka P., Wyleżoł M.: Team of Specialized Mobile Robots for Group Inspection of Large-area Technical Objects, K. R. Kozłowski (Ed.): Robot Motion and Control, LNCIS 396, Springer-Verlag, 2009, s.411-420. [5] Moczulski W., Adamczyk M., Januszka M., Panfil W., Przystałka P., Wyleżoł M.: Autonomous mobile robots for Inspecting Industrial Objects, Mazurkiewicz A. (Ed.): Technological Innovations for Sustainable Development, ITeE-PIB, Polska-Izrael, 2009, s. 215-230. Streszczenie w Języku polskim i angielskim Artykuł dotyczy wybranych efektów prac realizowanych przez grupę badawczą Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej w Gliwicach oraz Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu. Prace te były i dalej są realizowane w ramach projektów badawczych Zespół specjalizowanych robotów mobilnych do inspekcji grupowej obiektów technicznych (realizowany w latach 2004-08) oraz Wielozadaniowe mobilne roboty wykorzystujące zaawansowane technologie rozpoczętego w roku 2010. This article presents selected results of work carried out by a research group of Department of Machinery Design of Silesian Technical University and the Institute for Sustainable Technologies - National Research Institute in Radom. This work was - and is now being implemented - within the research project "Team of dedicated mobile robots for group inspection of technical objects" (implemented in the years 2004-08) and Multi-purpose mobile robots using advanced technologies, which began in 2010.