Servisní mobilní roboty určené pro monitorování a manipulaci s objekty musí být vybaveny kamerovým subsystémem. Kamerový subsystém zahrnuje také kameru umístěnou na stožáru. Pohled z této kamery dává informaci o dění na platformě robotu. Článek prezentuje vyrobený prototyp teleskopického monitorovacího ramena, které je určeno pro monitorování robotu, získávání a zpracování metrických 3D informací v reálném čase.
Tvar, funkce a základní charakteristiky vyrobeného prototypu odpovídá požadavkům na vybavení pásového robotu ARES monitorovací technikou. Robot může plnit řadu servisních úloh se zaměřením na monitorování nástavbových modulů na platformě robotu. Záměnou jedné kamery na dvě kamery může teleskopické monitorovací rameno získávat a zpracovávat metrické 3D informace v reálném čase. Na vyrobeném prototypu budou ověřovány výkonové a řídicí subsystémy, mechanické záležitosti apod.
MOBILNÍ ROBOTY A 3D MĚŘENÍ
Mobilní roboty určené pro vykonávání servisních úloh jako jsou například manipulace, monitorování apod. jsou vybaveny kamerovým systémem pro navádění pohybu robotu, sledování dění na robotu a případně dvojící kamer určených k získávání 3D metrických dat. Kromě kamerových systémů jsou roboty vybaveny také osvětlovací technikou, senzory pro rozpoznávání vnějšího okolí, případně termokamerou apod. Řízení servisních robotů je v závislosti na prováděné servisní úloze. Ve většině případů jsou roboty naváděné operátorem.
Při pohybu robotu po terénu, kdy není prováděno monitorování nebo měření 3D objektů, může být nástavbový modul s kamerami v podobě monitorovacího stožáru ve sbalené poloze. Jedná se o přepravní polohu, která chrání kamery před poškozením v případě ztráty stability robotu nebo při kolizních stavech. Dále je zde výhoda snížení celkové výšky mobilního robotu s ohledem na průjezdnost, například v tunelech s malou výškou apod.
Při servisní úloze pořizování 3D metrických dat dojde k zastavení pohybu robotu a rozbalení teleskopického monitorovacího ramena do polohy při které je prováděno měření. Při měření objektů musí být osy objektivů obou kamer rovnoběžné a ve vodorovné poloze. Nastavení os kamer určených k pořizování 3D dat do vodorovné polohy je realizováno různými způsoby. Proto musí mít přídavný modul, který nese dvojici kamer pro měření 3D dat dostatečný počet stupňů volnosti k dosažení požadované polohy (minimálně dva stupně volnosti). Dosažení požadované polohy kamer je řízeno senzory.
TELESKOPICKÉ MONITOROVACÍ RAMENO
Na katedře robototechniky, VŠB – RU Ostrava byla v rámci projektu navržena konstrukce teleskopického monitorovacího ramene vycházející z požadavků pro aplikaci na vyrobených prototypech mobilních servisních robotů. Teleskopické monitorovací rameno představuje část kamerového subsystému aplikovaného na vyrobeném pásovém mobilním robotu ARES. Jde o pásový podvozek vybavený manipulační nástavbou a dalšími nástavbovými moduly. Manipulační nástavba má pět stupňů volnosti včetně efektoru. Další nástavbový modul představuje například systém pro odběr kapalných nebo plynných vzorků. Do budoucna se připravují také další nástavbové moduly. Servisní robot je řízený operátorem. Z těchto důvodů je pro tento robot důležitý kamerový subsystémem s více kamerami. Navržená konstrukce teleskopického monitorovacího ramene umožňuje sledování horní platformy servisního robotu z nadhledu. Operátor na operátorském stanovišti má možnost sledovat dění na robotu pomocí kamery umístěné na konci teleskopického monitorovacího ramene.
CHARAKTERISTIKA
Vyrobený prototyp teleskopického monitorovacího ramene představuje lehkou konstrukci s rotačními kinematickými dvojicemi a jednou translační kinematickou dvojicí. 3D model teleskopického monitorovacího ramene a vyrobený prototyp znázorňuje obr. 1. K pohonu jsou použité standardní typy servomotorů s kroutícím momentem do 9 Nm. Nosnou částí jsou dvě ramena. První rameno je spojeno se základnou pomocí rotačního kloubu a má teleskopické vysouvání. Délku prvního ramene lze nastavit v rozsahu 500 – 900 mm. Obě ramena jsou spojena rotačním kloubem. V praxi se bude využívat rozsah rotace 0˚ až 270˚. Na konci druhého ramene je upevněn kamerový modul s jednou kamerou. Kamera se může natáčet okolo dvou os. Do budoucna se uvažuje o kamerovém modulu se dvěma kamerami určenými k získávání 3D metrických dat. Základní parametry navržené konstrukce teleskopického monitorovacího ramene jsou uvedeny v tab. 1.
Teleskopické monitorovací rameno má modulární konstrukci. Převážná většina komponentů je vyrobena z hliníkových slitin. Důvodem je snížení celkové hmotnosti. Obě ramena jsou vyrobena z hliníkových profilů. Teleskopické vysouvání prvního ramene je realizováno zasouváním dvou hliníkových profilů do sebe. Pro rotační kloub v základu byl použitý servomotor TORXIS s kroutícím momentem 11 Nm. Teleskopické vysouvání prvního ramene je realizováno šroubem a maticí. K pohonu pohybového šroubu je použitý stejnosměrný motor s planetovou převodovkou. Polohu vysunutí můžeme libovolně měnit. Při konstrukci všech komponentů bylo zvažováno hledisko minimální náročnosti na výrobu a tím snižování nákladů na výrobu.
V pracovní poloze bude realizováno maximální vysunutí. Při pohybu robotu po terénu bude teleskopické monitorovací rameno ve složené poloze. Složená poloha je taková, kdy osa prvního ramene je ve vodorovné poloze. Osa druhého ramene je paralelní s osou prvního ramene. Teleskopické monitorovací rameno v této poloze nezvyšuje celkovou výšku robotu. Jedná se o přepravní polohu, která chrání kamery i rameno před poškozením v případě ztráty stability robotu nebo při kolizních stavech.
V době, kdy robot provádí servisní úlohu, je teleskopické monitorovací rameno uvedeno do pracovní polohy. Pracovní poloha představuje maximální možné vztyčení ramene. Osa prvního i druhého ramene je ve svislé poloze. Teleskopické vysunutí prvního ramene je maximální. V pracovní poloze umožňuje kamerový modul s jednou kamerou sledovat z nadhledu pohyb manipulační nástavby a dění na horní platformě robotu. Pracovní polohu lze také měnit. Jiná pracovní poloha teleskopického monitorovacího ramene umožňuje monitorovat například okolí robotu. Ve všech pracovních polohách umožňuje kamerový modul natáčení kamery okolo dvou os. Pracovní polohy teleskopického monitorovacího ramene jsou vždy mechanicky fixovány zarážkou. Zarážka je ovládána servomotorem. Fixování prvního ramene v pracovní poloze zabezpečuje stálost této polohy, a to i v případě výpadku zdroje elektrické energie. Při rotaci prvního ramene je nutno nejprve uvolnit fixování polohy. Ukázku 3D modelu robotu a namontovaného teleskopického monitorovacího ramene znázorňuje obr. 2. V tomto případě není na horní platformě robotu upevněna manipulační nástavba.
Rotaci v jednotlivých kloubech lze provádět ručně nebo zvolit předem nastavené polohy. Řízení natočení v jednotlivých kloubech je bezdrátové. Napájení jednotlivých servomotorů je ze zdroje umístěného v pásovém podvozku. Byla snaha vést veškerou kabeláž uvnitř obou ramen. Redukce hmotnosti celého teleskopického monitorovacího ramene toto neumožňuje z prostorových důvodů. Přistoupilo se k řešení částečného vedení kabeláže uvnitř ramen. Kabely vedoucí od kamerového modulu jsou vedeny uvnitř druhého ramene. Tyto kabely a kabely od servomotoru umístěného v kloubu spojující obě ramena jsou vedeny po spirále vnějšího povrchu prvního ramene. Tento způsob vedení kabeláže neovlivní funkčnost celého teleskopického monitorovacího ramene. Tyto a všechny ostatní kabely od servomotorů v základu procházejí horním krytem zadní části pásového podvozku. Otázka řešení kabeláže nebyla jednoduchá ve vztahu k zachování funkčnosti teleskopického monitorovacího ramene ve vlhkém prostředí.
Kryt kamery na kamerovém modulu a kryty jednotlivých servomotorů jsou vyrobeny pomocí 3D tisku a přišroubovány k rámu. Redukce celkové hmotnosti teleskopického monitorovacího ramene představovala optimalizovat řadu konstrukčních prvků. Z tohoto hlediska byla zajímavá optimalizace tvarových a hmotnostních parametrů u hřídele spojujícího obě ramena. Tento hřídel je dutý a musí umožňovat průchod kabelů. K tomu, aby hřídel pevnostně vyhověl, byla jako materiál použita ocel oproti ostatním komponentům, které jsou z hliníkových slitin. Řez kloubem spojující obě ramena je znázorněný na obr. 3.
Optimalizace tvarových a hmotnostních parametrů byla důležitá také u komponentů v základu teleskopického monitorovacího ramene. Teleskopické monitorovací rameno jako celek je pomocí tvarové desky upevněno na rámu pásového podvozku. Upevnění je provedeno pomocí šroubů a dá se jednoduše demontovat. Teleskopické monitorovací rameno jako celek můžeme pomocí jiné tvarové desky jednoduše upevnit na jiný mobilní robot. Na krytu základny je upevněný box s elektronikou pro řízení pohybu teleskopického monitorovacího ramene a ovládání kamery. Box s řídící elektronikou komunikuje s počítačem umístěným uvnitř pásového podvozku.
Kamerový modul teleskopického monitorovacího ramene je vybavený kamerou AXIS M1104. Kamera je v tomto modulu plně zapouzdřena a může pracovat ve vlhkém prostředí. Schéma kamerového modulu je znázorněno na obr. 4. Celý tento modul má dva stupně volnosti a je upevněný na konci druhého ramene. V tomto případě má kamera pevné ohnisko a není možné provádět zoom. Pro předpokládané aplikace servisních úloh je tato konfigurace plně postačující. Pro rotaci kamerového modulu okolo dvou os jsou použity standardní servomotory HITEC. Obě rotace umožňují pohyb z nulové polohy ± 90° na obě strany. Směr natočení kamerového modulu v pracovní poloze teleskopického monitorovacího ramene provádí operátor. Kamerový modul představuje jednu z pěti kamer, které budou umístěny na servisním pásovém robotu ARES. V současnosti je robot vybaven třemi kamerami. Plánuje se vybavit manipulační nástavbu kamerou umístěnou na koncovém rameni.
Tento navržený kamerový modul s jednou kamerou lze vyměnit za jiný kamerový modul. Jiný kamerový modul může být vybavený dvěma kamerami. V takovém případě může kamerový modul provádět i jiné činnosti, než pouhý monitoring horní platformy servisního robotu. Kamerový modul se dvěma kamerami můžeme využít pro pořizování 3D metrických dat. V takovém případě se rozšíří oblast aplikací servisního robotu. Jako konkrétní příklad servisní úlohy lze uvést měření vzdálenosti v prostoru libovolně zvolených dvou bodů na pořízených snímcích z obou kamer. V takovém případě bude teleskopické monitorovací rameno plnit dvě funkce – monitorovací a pořizování 3D metrických dat.
Konstrukce teleskopického monitorovacího ramene zůstane zachována a vymění se pouze kamerový modul. Kamerový modul se dvěma kamerami musí splňovat určité podmínky. Jednou z těchto podmínek je možnost připojení na stávající druhé rameno. Další podmínkou je dostatečná vzdálenost mezi oběma kamerami a rovnoběžnost os obou objektivů. Kromě toho budou na tento modul kladeny i další požadavky. Příklad možného konstrukčního řešení kamerového modulu se dvěma kamerami je znázorněný na obr. 5.
Praktické aplikace navrženého monitorovacího ramene servisního pásového robotu ARES lze z hlediska členění podle oblasti zaměření rozdělit na:
• Monitorování a údržba městských prostorů
• Informační roboty ve veřejných budovách
• Monitorování nejrůznějších prostorů, objektů apod.
• Pořizování 3D metrických dat v městských prostorách
• Transport předmětů různého charakteru
• Další servisní úlohy
Na vyrobeném prototypu navrženého monitorovacího ramene budou ověřovány výkonové a řídící subsystémy. Testování bude prováděno na vyrobených polygonech a při praktických aplikacích vybraných servisních úloh. Kromě jiného budou sledovány a vyhodnocovány také vlivy různých prostředí na řídící subsystém a přenos videosignálu. Při testování na polygonu budou výsledky porovnány s charakteristikami získanými při ověřování 3D modelu v systému MSC/ADAMS. Uvedené příklady představují funkční robot využitelný pro různé typy servisních úloh ve vnitřním a venkovním prostředí.
Článek prezentuje poznatky získané při řešení grantového projektu č. FT-TA3/014.
TEXT/FOTO ING. LADISLAV KARNÍK, CSC., FAKULTA STROJNÍ VŠB-TU V OSTRAVĚ