W 2011 roku Magma 2 został pierwszym polskim robotem, który wygrał prestiżowe zawody robotów marsjańskich University Rover Challenge, organizowanych co roku w Stanach Zjedoczonych
Niewielki robot mobilny IMPERATOR z napędem gąsienicowym
Dwaj studenci Wydziału Matematyki Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie skonstruowali niewielkiego mobilnego robota z napędem gąsienicowym o nazwie IMPERATOR.
| IMPERATOR | |
Projekt dotyczył konstrukcji doświadczalnej wersji maszyny inspekcyjno-zwiadowczej o zastosowaniach praktycznych oraz naukowych. W całości prowadzony był w Instytucie Informatyki UMCS przez dwóch studentów informatyki i odbywał się w ramach wspólnej pracy magisterskiej.
W obecnej chwili uruchomione są w pełni wszystkie funkcje robota związane z nawigacją poprzez zdalne sterowanie: przemieszczanie się, obsługa wysięgnika a także bezkolizyjne poruszanie się. Operator do dyspozycji ma odczyt z licznych czujników i może kierować robotem z każdego komputera podłączonego do internetu.
Udało się zrealizować sterowanie samodzielną jazdą np. przy tworzeniu map pomieszczeń oraz zadanie związane chwytaniem przedmiotów przy pomocy wysięgnika przy ograniczonej interwencji człowieka.
Zintegrowano także oprogramowanie robota z systemem pozwalającym na podstawową kontrolę trakcji i ramienia bez użycia typowych narzędzi (klawiszy, joysticka), ale za pomocą ruchu głowy.
Udoskonaleno także programy uczące się, kontrolujące ramię. Adapatacyjność sterowania pozwoliła na uniknięcie stosowania modeli fizycznych obiektu kontrolowanego oraz umożliwiła automatyczną poprawę efektów działania programu.
Głównymi przewidzianymi funkcjami i zastosowaniami prezentowanego prototypu są:
- zdalna inspekcja miejsc niedostępnych lub niebezpiecznych. W tym przypadku sterowanie odbywa się drogą radiową przy pomocy programu operatora. Osoba obsługująca robota ma możliwość korzystania z kamer, układu nawigacji (kompas, pochyłomierz), wysięgnika a także dodatkowych, łatwych do zainstalowania, czujników np. temperatury, promieniowania itp.
- pomoc dla ludzi niepełnosprawnych przy wykonywaniu prostych czynności. Doświadczalnym sposobem sterowania, jest kontrola wysięgnika i trakcji robota przy pomocy ruchu głowy. System komunikacji tego rodzaju pomiędzy użytkownikiem a komputerem wymaga tanich i łatwo dostępnych podzespołów. Zintegrowany z programem robota, maksymalnie ułatwia kontrolę pojazdu.
- narzędzie o charakterze edukacyjnym. Programowanie peryferiów robota jest stosunkowo proste i przejrzyste, dzięki bibliotekom i gotowym sterownikom znajdującym się na komputerze pokładowym i zaprogramowanych chipach. Uruchamianie programów sterujących, bezpośrednio na sprzęcie, jest wymagającym i ciekawym zadaniem, pozwalającym na naukę elementów automatyki i cybernetki w praktyce. Ilość dostępnych opcji, sensorów i efektorów zainstalowanych na robocie może być wyzwaniem nawet dla wielu osób jednocześnie.
Sztuczna inteligencja
Do sterowania robotem użyto programów "uczących się", adaptacyjnych sterowników. Zmieniają lub dostrajają one swoje parametry w trakcie pracy, w celu uzyskania lepszych wyników sterowania. Zadania jakie realizują algorytmy inteligentne to:
- kontrola zaworów pneumatycznych i uzyskiwanie zadanych kątów w stawach ramienia.
- obliczanie kątów w stawach ramienia w celu uzyskania zadanego punktu docelowego (chwytanie przedmiotów).
- określanie optymalnej drogi poruszania się i bezkolizyjnej jazdy.
Znajdowanie najkrótszej drogi na mapie reprezentowanej przez bitmapę przy pomocy algorytmu genetycznego.
Wysięgnik - sterowanie
Sterowanie ramieniem odbywa się w następujących etapach:
- w zależności od wykonywanego zadania ramię może być sterowane przez operatora i będzie to ustalenie położenia manipulatora względem robota lub przez program sterujący realizujący np. chwytanie przedmiotów z uwzględniem przeszkód. W tym przypadku wyznaczana jest trajektoria ruchu manipulatora ustawionego względem robota lub każdego ze stawów ramienia osobno.
- obliczenie wymaganych wychyleń stawów ramienia w każdym z punktów swobody czyli realizacja zadania odwrotnej kinematyki.
- uzyskanie zadanych wartości wychyleń w każdym stawie ramienia poprzez odpowiednie sterowanie zaworami pneumatycznymi oraz silnikami elektrycznymi z uwzględnieniem momentów siły i bezwładności każdego elementu wysięgnika.
Regulatory sterujące mechaniką wysięgnika są połączeniem adaptacyjnych algorytmów ze standardowymi sposobami kontroli opartymi na logice rozmytej i aproksymatorach neuronowych.
Wysięgnik - budowa mechaniczna
Główna konstrukcja ramienia wykonana jest z aluminium z ok. 60 elementów. Wysięgnik osadzony jest na podstawie, umożliwiającej pełny obrót. Trzy pierwsze stopnie swobody napędzane są pneumatcznie, kolejne dwa, znajdujące się w manipulatorze, przez serwomechanizmy. Dwa pierwsze stawy, działające w płaszczyźnie pionowej, wykonują główną pracę przy ruchu manipulatora i decydują o maksymalnym udźwigu i precyzji. Trzeci staw służy do ustawiania manipulatora w płaszczyźnie wspólnej z poprzednimi stawami, zaś napęd serwo umożliwia precyzyjny przesuw chwytaka na boki i jego obrót. Precyzja ustawienia końca chwytaka wynosi ok. 1cm, i w dużym stopniu zależy od jakości zastosowanych siłowników.
Zdalne sterowanie
Do łączności robota z komputerem operatora wykorzystano popularne access-pointy. Pomimo małego zasięgu w budynku, rozwiązanie to okazało się najprostsze i najwygodniejsze. Na pojeździe została zamontowana antena dookólna o mocy 15dB.
Oprogramowanie operatora umożliwia odczyt wszystkich parametrów pojazdu, takich jak wskazania sensorów, stan akumulatorów, położenie, obraz z dowolnej kamery. Program pozwala na pełne sterowanie ruchem pojazdu a także ramieniem. Oprócz kontroli manualnej, przewidziane są dodatkowe funkcje, ułatwiające obsługę zdalną, takie jak samodzielne dojechanie pojazdu pod wskazany punkt na mapie czy automatyczne uchwycenie przedmiotu przez wysięgnik.
Program operatora może być uruchomiony w klilku egzemplarzach, pozwalając na jednoczesne sterowanie robotem i wgląd do odbieranych danych z pojazdu przez więcej niż jedną osobę, o ile określone zasoby nie zostały wcześniej zablokowane.
Moduł jezdny - rama, gąsienice i koła
Rama robota wykonana została z profili stalowych i z aluminium. Przytwierdzone są do niej koła, silniki oraz zawieszenie ramienia. Podwozie na wysokości 8 cm utrzymuje akumulatory i układy elektroniczne. W celu uproszczenia konstrukcji zawieszenie jest sztywne. Środkowe, małe koła biorą udział przy pokonywaniu schodów, dociskając gąsienice pod odpowiednim kątem. Wszystkie 10 kół wykonanych jest ze sztucznego tworzywa: ertalonu. Dostosowane są do poliuretanowych pasów zębatych, zbrojonych linkami stalowymi. Pasy te, pracujące jako gąsienice, mają szerokość 50mm i po zewnętrznej stronie utrzymują gumową taśmę, posiadającą poprzeczne profile o wyskości 10mm na zewnątrz.
Moduł jezdny - napęd elektryczny
Tylne koła napędzane są za pomocą dwustopniowych przekładni ząbatych 1:12 przy użyciu wydajnych silników o mocy 300W każdy. Moment siły uzyskiwany na osi koła napędowego dochodzi do 37 Nm, co daje siłę ciągu pojazdu ok. 650 N. Silniki sterowane są pełnomostkowym układem opartym na tranzystorach mosfet realizującym regulacje PWM. Zasilanie silników (a także komputera pokładowego) pochodzi z 8 akumulatorów 12V 9Ah, dających łączne napięcie 24V. Pozwala to na minimum 6 godzin jazdy bez przerwy po płaskim terenie lub 30 godzin pracy bez ładowania w spoczynku. Prędkość maksymalna pojazdu osiągana przy tym sposobie zasilania wynosi 2km/h.
Prototyp robota mobilnego powstał dzięki wsparciu finansowemu UMCS, a także w oparciu o fachową pomoc wyspecjalizowanych jednostek uczelnianych, gdzie wykonywane były unikalne części.
ostatnia aktualizacja: 2010
Strona Wydziału Matematyki Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie
Oficjalna strona projektu
