obr1mServisní 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.

tab1m

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.

obr2mV 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.

obr3mKryt 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.

obr4mKamerový 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.

 

obr5mAPLIKACE

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