№ 3(10) / декабрь

Популярно о науке

Роботы-шары: новая конструкция мобильных роботов

Ученые постоянно ищут новые решения при разработке современных роботов. Поиск идет как в области создания новых методов управления роботами, включая, например, ультрасовременные методы Искусственного Интеллекта, так и в области реализации новых средств и форм движения роботов. В этих поисках рождаются новые нетрадиционные способы движения мобильных аппаратов, которые зачастую открывают и новые, недоступные ранее, возможности робота, оснащенного такими нетрадиционными движителями.

I. О концепции роботов-шаров

1. Робот Rotundus (Швеция)

1. Робот Rotundus (Швеция)

1. Робот Rotundus (Швеция)

1. Робот Rotundus (Швеция)

2. Робот-шар Sony (Япония)

2. Робот-шар Sony (Япония)

3. Робот-шар с солнечным приводом (Solarbotics, Канада)

3. Робот-шар с солнечным приводом (Solarbotics, Канада)

4. Роботы-шары с электроприводами

4. Роботы-шары с электроприводами

4. Роботы-шары с электроприводами

4. Роботы-шары с электроприводами

4. Роботы-шары с электроприводами

4. Роботы-шары с электроприводами

5. Концепция Tear Drop («капля слезы»). PEUGEOT–MOVILLE. Франция

5. Концепция Tear Drop («капля слезы»). PEUGEOT–MOVILLE. Франция

6. Автомобили будущего по версии фильма «Я, робот»

6. Автомобили будущего по версии фильма «Я, робот»

7. Проект мотоцикла на шаро-колесах

7. Проект мотоцикла на шаро-колесах

Одним из вариантов «нетрадиционных» робототехнических средств передвижения является сфероробот [1–6]. Эти аппараты в силу своей герметичной конструкции могут использоваться для исследования или контроля зон с неблагоприятной или агрессивной средой, например мест аварий, или зон исследовательского интереса на других планетах. В задачах сбора информации, контроля окружающей среды сферическая форма робота дает ему ряд преимуществ перед другими аппаратами. В отличие от иных моделей, у робота-шара нет ни невозможных направлений движения (он омнимобилен), ни мест сопряжения узлов или частей, куда могли бы попасть загрязняющие/мешающие движению объекты, жидкости, газы из внешней среды.

Такой робот будет полезен при повышении техногенной безопасности мобильных систем или дорожных ситуаций. Можно представить варианты, когда система роботов-шаров ведет в качестве «наблюдающих патрульных» охрану или контроль парковок, периметров объектов типа хранилищ и т.?п., контролирует в узловых местах трубопроводные системы, и целый ряд других вариантов аналогичных приложений. Роботы при этом могут двигаться по произвольным (плоским) траекториям или в неблагоприятных погодных условиях, отслеживая и контролируя ситуацию. Если управляемые шары использовать как колеса транспортного средства, оно становится омнимобильным.

Имеется также вариант с использованием сферороботов в качестве «гидов» в современных инновационных технических музеях (такие предложения имеются). Подобные конструкции могут также служить наглядным примером для обучения принципам теоретической механики (такое направление развивается, в частности, в Италии). Таким образом, диапазон применения сферороботов является достаточно широким.

Роботы-шары используют различные системы приводов, наиболее интересными из них представляются те, которые используют специальные внутренние механизмы. Здесь наиболее часто используются механизмы, обеспечивающие смещение центра масс внутри робота, это системы типа маятников или системы с подвижными массами. Укажем некоторые примеры [1–5]. На рис. 1 показан робот Rotundus. В роботе реализован маятниковый механизм, аппарат предполагается широко использовать как охранное устройство. На рис. 2 показан робот фирмы Sony (Япония) [2]. Его отличительная особенность — управление голосом. Специалисты фирмы Sony при этом говорят о том, что шарообразная форма робота является одним из наилучших способов обходить препятствия.

Интересная разработка показана на рис. 3 (по данным ресурса [3]). Этот робот использует для движения внутреннее устройство в виде катящейся по сфере тележки, но еще получает энергию от солнечных батарей. Робот является не только омнимобильным, но и не зависящим от искусственных внутренних источников энергии.

Наконец, на рис. 4 по данным ресурсов [4, 5] приведены некоторые другие разработки мобильных роботов-шаров. На фотографиях можно различить внутреннее устройство роботов, такие роботы имеют «замкнутый цикл» с точки зрения наличия внутри и приводных механизмов и источников питания (батарей). Именно это делает такие роботы в определенном смысле не зависящими от внешней среды. На последней фотографии показан робот с непрозрачной оболочкой, что также интересно с конструкторской точки зрения как возможное решение для блокирования проникновения во внутреннее устройство робота.

И наконец, говоря о примерах использования шаров как движителей, укажем еще одну, фантазийную, область их применения. Это использование шаров как колес. На рис. 5 ниже показана концепция мини-автомобиля от Пежо-Мовиль на шаро-колесах.

Заметим, что из-за своей формы корпуса аппарат назван Tear Drop («капля слезы»). Его основные преимущества, однако, состоят в омнимобильности. Такой аппарат из любого положения (на дороге, у тротуара, из гаража, от места парковки) может поехать в любом направлении. Это создает огромные преимущества, например, при парковке в узких местах и в других стесненных условиях городского движения. Подобные разработки есть и в других западных лабораториях. Так, в Германии известная фирма KUKA уже создала прототип транспортного робота на шаро-колесах. А говоря о фантазии нельзя не упомянуть известный фильм «Я, робот» (США, 2004), повествующий о не очень отдаленном будущем. В нем, помимо основной сюжетной линии, важно упомянуть и о технике будущего, о которой говорят создатели фильма. Все транспортные машины, и легкие, и тяжелые, там движутся на шаро-колесах.

Примеры таких технических устройств показаны на рис. 6. А на рис. 7 показана уже не фантазия, а современный дизайн-проект (ему всего около года), предложенный студентами инженерного факультета Университета Сан-Хосе, Калифорния (по материалам ресурса [7]). Разработчики назвали свой проект «motoball». По словам разработчиков, их целью было создание омнимобильного электрического мотоцикла. Сейчас они всерьез задумываются о возможности езды на таком мотоцикле по автодорогам общего пользования. Заметим, что на фотографии хорошо видны внешние электродвигатели с фрикционами, приводящие сфероколеса в движение. Использование внешнего привода упрощает управление аппаратом и его конструкцию, но здесь же, очевидно, таится и недостаток — при движении по грязной дороге такие приводы необходимо будут забиваться грязью, что создаст проблемы для движения. Целесообразнее было бы использовать в колесах приводы внутренние.

II. Шар с маятниковым механизмом SpheROB

8. Конструкция робота-шара SpheROB  (по материалам ЗАО «Ровер»). Механизм VPU2  (1 — ПС привода крена; 2 — рама; 3 — дополнительная рядная передача ПК; 4 — маятник; 5 — АБ)

8. Конструкция робота-шара SpheROB (по материалам ЗАО «Ровер»). Механизм VPU2 (1 — ПС привода крена; 2 — рама; 3 — дополнительная рядная передача ПК; 4 — маятник; 5 — АБ)

Коллективом разработчиков в Удмуртском государственным университете (Ижевск), в Институте машиноведения им. А.?А.?Благонравова РАН совместно с механико-математическим факультетом МГУ, Институтом прикладной математики им. М.?В.?Келдыша РАН (Москва), ЗАО «Ровер» (Санкт-Петербург) разработан первый в России сфероробот — робот-шар SpheROB. Разработка выполнена в рамках гранта Минобрнауки РФ по привлечению ведущих ученых к работам в вузах России.

Цель проекта — исследовательский проект по автономным роботам-шарам, по отработке их автоматической системы управления с элементами искусственного интеллекта.

Конструкция. В российском сферороботе SpheROB использован маятниковый механизм — это внутренний привод движения. Конструкция показана на рис. 8.

Робот-шар SpheROB имеет три раздельно управляемые степени свободы, две из которых задают отклонение маятника от экваториальной плоскости шара, третья служит для поворота приводной системы шара в экваториальной плоскости. Маятник конструктивно образован системой управления робота (ее блоками, собранными в специальный моноблок) и аккумуляторной батареей АБ.

На рис. 9 показан внешний вид SpheROB. Фотография сделана во время первых испытаний робота в Ижевске в Институте компьютерных исследований в марте 2012 года.

9. Сфероробот SpheROB

9. Сфероробот SpheROB

Основные технические данные шара SpheROB таковы:

  • диаметр 400 мм;
  • масса 5 кг;
  • система управления микропроцессорная 4-канальная, штатно задействованы 3 канала, один зарезервирован, система включает встраиваемый бортовой компьютер INTEL-платформы, габариты всего моноблока управления 95 × 90 × 90 мм;
  • связь с внешним консольным компьютером по WiFi-линии, возможна связь по ИК-каналу;
  • сенсоры: первая очередь — встроенные сенсоры углов и угловых скоростей поворота приводов степеней свободы робота, вторая очередь — сенсоры инерциальной навигации, третья очередь — система технического зрения;
  • программное обеспечение — оригинальная авторская управляющая система со следящими и терминальными управляющими системами, система искусственного интеллекта для синтеза поведения робота.

В настоящее время для робота реализовано полное дистанционное управление по радиолинии. Он также способен полностью автоматически двигаться по отрезкам прямых, составляющих ломаную линию. На очереди криволинейные траектории, планирование сложного движения, эксперименты со зрением. В ИМАШ РАН и в ИПМ им. М.?В.?Келдыша РАН в настоящее время совместно с соисполнителями ведутся интенсивные эксперименты по проекту SpheROB.

В качестве резюме скажем следующее. Первые эксперименты с SpheROB подтвердили полную работоспособность предложенной конструкции. Шар эффективно управляется, достигает достаточно больших скоростей. Однако есть и проблемы, без которых не бывает новых исследований. Например, у шара есть понятные проблемы при движении по неровной, особенно по сильно неровной, поверхности. По-видимому, подобные мобильные аппараты, прежде всего, будут эффективны на гладких покрытиях. Они хорошо будут работать на подготовленных трассах, в помещениях с ровными полами, на слабонеровной естественной поверхности, на снегу, на невысокой траве. Для иных случаев применения потребуется соответствующее развитие концепции.

В следующем выпуске НО планируется статья, посвященная шару с другим принципом реализации движения — с внутренними маховиками. Также мы подробнее рассмотрим технические и научные проблемы, с которыми столкнулись при разработке таких технических устройств.

Литература

  1. http://www.rotundus.se/
  2. http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/1898342.stm
  3. http://www.robotliving.com/robot-news/solar-robot-ball/
  4. http://vimeo.com/
  5. http://www.slashgear.com/project-413-makes-xkcd-robot-hamster-a-reality-video-1465950/
  6. http://rovercompany.ru
  7. http://oppozit.ru/article79372.html

В. Е. Павловский, В. В. Павловский, Е. В. Павловский, Г. П. Терехов

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...

Комментарии:

  1. Леонид:

    Проблему с неровными поверхностями можно решить! Нужно сконструировать шар так, чтоб он мог деформироваться (до какой-то степени, конечно), то есть вытягиваться, сплющиваться и опять становиться твёрдым. Таким образом у него не только увеличатся динамические характеристики, но и шар будет способен на новое действие – прыжок!
    У меня, конечно, нет технического образования, но мне
    кажется, что это возможно! Я прав?

Оставить комментарий:

CAPTCHA image

Статьи из рубрики: Популярно о науке

И все-таки она отрывается!

disk1

Каждый хотя бы раз пытался запустить с вращением монету. Каждый был зачарован тем, как она крутится, наращивая звуковые колебания, а затем долго и неохотно падает. Машинально мы запускаем ее вновь и вновь. Наблюдать за этим процессом можно так же бесконечно, как за водой и огнем. Ученых в этом деле волнует не красота происходящего, а сугубо практические вещи: отрывается ли монета в момент остановки от поверхности?

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 1 Подробнее

Леденящая тема

Рис. 2. Лекция ведущего ученого проекта Жёна Жузеля «Климат Земли. Прошлое, настоящее и будущее» для сотрудников, молодых ученых, аспирантов и студентов ИЕН и ВШЭМ УрФУ

В ноябре 2011 года в Институте естественных наук Уральского федерального университета в рамках проекта Минобрнауки России по привлечению ведущих ученых в российские вузы была организована лаборатория физики климата и окружающей среды, с тем чтобы понять климат прошлого и настоящего и предсказать климат будущего». Благодаря выделенным деньгам удастся организовать работу на самом высоком уровне, но в тот момент, когда все будет готово для свершения открытий, встанет вопрос о его продлении. Что будет с актуальными наработками? А между тем климатическая картина мира стремительно меняется, ставя под угрозу существование человечества.

Вячеслав Иосифович Захаров, профессор, д. ф.-м. н., Уральский федеральный университет, Екатеринбург, Россия
Владимир Васильевич Васин, чл-корр. РАН, профессор, д. ф.-м. н., Институт математики и механики УрО РАН, Екатеринбург, Россия

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 1 Подробнее

От воздушного змея к задаче Максвелла

В Лаборатории нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения регулярно проводятся семинары, а также конференции и симпозиумы всероссийского и международного уровня. В ходе данных встреч докладываются наиболее важные научные результаты, обсуждаются задачи и проблемы университетского мегагранта. За два года сотрудниками лаборатории написано более 100 научных статей. В связи с этим в редакции журнала «Научное обозрение» появилась идея о создании специальной рубрики «Популярно о науке», в которой планируется излагать наиболее интересные результаты доступным, популярным языком. Открывает нашу новую рубрику статья ведущего научного сотрудника сектора динамики вихревых структур, д. ф.-м. н., профессора ИжГТУ Тененева Валентина Алексеевича.

В. А. Тененев, д. ф.-м. н., профессор

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Подробнее

Секреты динамики кельтского камня

Рис. 2. Геометрическая модель кельтского камня

При исследовании мест захоронений древних кельтов  археологами были обнаружены своеобразные артефакты — округлые камни, которые использовались кельтами в быту в качестве орудий труда («тесал»), а также, по-видимому, в религиозных целях. Проводя эксперименты над обнаруженными артефактами, ученые обратили внимание на их необычные динамические свойства. Например, способность менять направление вращения на противоположное (явление реверса). Истории исследований и новым результатам (в частности, с привлечением так называемой неголономной модели) посвящена данная обзорная статья.

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Комментарии: 7 Подробнее

Трение: увлекательно о фундаментальном

Лабораторный стенд для исследования эффектов трения

Одной из задач, поставленных перед Лабораторией нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения УдГУ, является исследование различных эффектов движения механических систем. Эффекты могут быть инициированы различными внутренними и внешними взаимодействиями, но наиболее интересны, конечно, законы и парадоксы, вызванные фундаментальными силами. Данная научно-популярная статья посвящена историческому очерку и обзору работы Лаборатории по исследованию эффектов, связанных с силой трения.

Надежда Ердакова

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс
Оценить статью: 1 балл2 балла3 балла4 балла5 баллов
Загрузка ... Загрузка ...
Подробнее