Обоснование конструктивного исполнения робота-манипулятора для выполнения погрузочно-разгрузочных работ

наименьшими затратами человеческого труда и могут быть автономным или интегрировано в многофункциональный роботизированный комплекс. В конструкцию роботов всегда входят элементы, позволяющие совершать вращательные или поступательные движения. Причиной внедрения роботизированной техники является необходимость снизить затраты на производстве. Робот-манипулятор - это точное оборудование, используя его удаётся не просто снизить затраты, но и свести к минимуму возможность ошибок. Внедрение современной техники позволяет повысить безопасность условий труда.

С каждым годом роботы-манипуляторы охватывают все большие отрасли производства и на скорость распространения этого оборудования в первую очередь влияет его доступная цена. С учётом значительной экономии, которую гарантирует автоматизация процессов, все вложения абсолютно оправданы. К тому же использование роботов-манипуляторов повышает качество продукции.

Существует множество конструкций роботов-манипуляторов [1-11] и мы в свою очередь хотим представить робот-манипулятор базируемый на известных разработках [1, 2].

Материалы и методы исследования. Предлагаем к рассмотрению конструктивную составляющую робота-манипулятора [3] (рисунок 1).

Рисунок 1 - Модель робота-манипулятора

Конструктивно разработка, представленная на рисунке 1, состоит из четырех ведущих колес 1, закрепленных посредством ступицы на электродвигателях 19. Данные электродвигатели жестко закреплены на платформе 2, выполненной из профильной квадратной трубы размерами 80х80х5 (ГОСТ 30245-2003). На платформе расположены исполнительные звенья, выполнение в виде силовых приводов 3, 4, 5 и управляемый грузозахватный орган 6.

Два силовых линейных привода 3, 4 крепятся к основанию 2 самоходного шасси 1 посредством поворотных опор 7, а штоками с наконечниками 8 сходятся в общей точке подвижного крепления 9, которое посредством вилки 10 крепится на оси балки 11.

Для жесткости конструкции, балка 11 опирается посредством опорной вилки 12 на упор 13, соединенные между собой жесткой соединительной планкой. Упор 13 имеет жесткое крепление с поверхностью основания 2. На поверхности балки 11 закреплено основание исполнительного звена выполненного в виде силового линейного привода 5.

Шток упомянутого силового линейного привода 5 наконечником 14 соединен с управляемым грузозахватным органом 6.

На поверхности жесткой соединительной планки упора установлен оптический датчик 15, который передает сигнал на блок управления 16. Блок управления 16 задает величину перемещения силовым линейным приводам 3, 4, 5 и контролирует слаженность их работы.

На поверхности основания 2 в передней части самоходного шасси 1 установлен датчик угла наклона 17, который фиксирует угол наклона самоходного шасси 1 к поверхности земли, по которой перемещается.

Питанием для совместной работы всех органов движения робота манипулятора является аккумуляторная батарея 18 которая располагается в задней части основания 2 для распределения тяжести при подъемах грузов.

Рассмотрим принцип работы робота-манипулятора. Самоходное шасси, перемещающееся по поверхности земли, распознает необходимый объект для выполнения операции его перемещения благодаря оптическому датчику, который передает сигнал на электронный блок управления, а тот задает необходимую величину перемещения штокам силовых линейных приводов и контролирует слаженность их работы совместно с управляемым грузозахватным органом, в виде ножничного захвата, лапы захвата которого в форме ножниц захватывают и перемещает объект в указанное место после получения сигнала от блока управления и передаваемой работы от зацепления зубчатых колес.

Поочередной работой силовых линейных приводов, штоки которых сходятся в шарнире, имеющем три степени свободы, размещенном на оси внутри полого прямоугольного соединения вилки, достигается расширенная зона обслуживания управляемого грузозахватного органа, который представляет собой ножничный захват, состоящий из блока управления, зацепления зубчатых колес и лап захвата в форме ножниц. Работой силового линейного привода, соединенного с управляемым грузозахватным органом достигается регулирование длины выноса лап захвата в форме ножниц. Работой силовых линейных приводов достигается перемещение противовеса на роликовых опорах, размещенных внутри направляющих балок.

Противовес, во избежание переворачивания самоходного шасси, перемещается по поверхности основания на величину, зависящую от массы поднимаемого и перемещаемого грузозахватным органом груза.

На поверхности основания в передней части самоходного шасси установлен датчик угла наклона, который фиксирует угол наклона самоходного шасси к поверхности земли, по которой перемещается. В случае превышения заданного значения угла наклона самоходного шасси к поверхности земли, по которой идет перемещение, от датчика угла наклона передается сигнал на блок управления и движение самоходного шасси останавливается и отдается команда на изменение траектории движения самоходного шасси в сторону от возвышенности, угол подъёма которой превышает заданное значение, чтобы предотвратить опрокидывание робота-манипулятора.

Компьютерное зрение должно вести захват изображений и анализ. Для нас имеет смысл использовать уже существующие доступные системы компьютерного зрения [4]. Среди подобных систем сразу же просится вспомнить одну из самых известных: OpenCV, представляющую собой комплекс алгоритмов для реализации компьютерного зрения. Комплекс представлен модулями с узкоспециализированным функционалом: математического анализа, обработки изображений, графического интерфейса пользователя, ввода/вывода изображений и видео, ряда других компонентов. Общее количество компонентов превышает 2500, что позволяет решать достаточно сложные задачи.

Искомые управления должны одновременно реализовывать две задачи: привести робот- манипулятор в заданное положение и погасить скорости в конечном положении. Дополнительные ограничения, накладываемые на его движения, позволили найти программные управления, используя принцип максимума Понтрягина [12]. В этом подходе энергии управлений на начальном участке движения используются для разгона робота, а на конечном участке - для его торможения. Сложность построения управлений связана с необходимостью достижения заданного положения. В данной работе предлагается времена разгона и торможения уменьшить. На участках разгона и торможения используются простое программное управление, реализуемое прямоугольными импульсами. На основном участке движения манипуляционный робот движется, используя внутреннюю энергию. Стратегия управления состоит в переводе робота из малой окрестности начального положения в малую окрестность заданного положения за счет его собственной внутренней энергии.

Результаты и обсуждение. Данные от системы технического зрения обрабатываются на микрокомпьютере Raspberry Pi 3 Model B, который основан на процессоре Broadcom BCM2837 с четырьмя 64-битными ядрами ARM Cortex A-53, работающими на частоте 1.2 ГГц; он имеет 1 Гб оперативной памяти, порты USB, RS-232, I2C и GPIO, встроенный блок Wi-Fi. Использование в системе управления микрокомпьютера позволяет реализовать достаточно сложные алгоритмы управления, поддержку WiFi и построить системы технического зрения. Энергопотребление у Raspberry Pi низкое, что очень важно для случая автономной мобильной роботы, и при достаточной производительности радует невысокой ценой.

Система управления работает с исполнительными механизмами системы, представляющей собой три силовых линейных привода, самоходное шасси; осуществляет текущий контроль состояния силовых линейных приводов и самоходное шасси, реализует программно-заданные законы перемещения рабочих органов.

Управление силовыми линейными приводами осуществляется с помощью контроллера положения. Центральным элементом контроллера положения является вычислительное ядро, реализующее функции автоматического управления, на базе микроконтроллера STM32F100RBT6. Возможностей данного микроконтроллера достаточно для реализации вычислений системы автоматического регулирования.

Поддержка работы с сетями WiFi реализована с помощью модуля ESP8266-F12. Данный модуль имеет достаточно обширную систему портов ввода/вывода, и на базе этого модуля можно реализовать контроллер положения, однако внутренне ПО чувствительно к операциям, вносящим задержки в работу стека, и длительные операции неприемлемы (например, обработка массива значений, полученных с АЦП). Поэтому данный модуль занимается только организацией работы с сетью. Взаимодействие с ведущим контроллером осуществляется по интерфейсу USART на скорости 115200 б/с. Непосредственное управление направлением и скоростью движения двигателя с учетом приведенных ранее параметров возложено на двухканальный мостовой усилитель мощности на интегральной схеме VNH3SP30. Мостовой усилитель работает с напряжением в диапазоне 7–36 В, а рабочий ток может достигать 30 А на канал. В схеме реализована защита от подачи высокого напряжения (при уровне напряжения свыше 36 В схема просто отключается), а так-же – защита от перегрева. При длительной работе с током 30 А (около 35 с) защита срабатывает. Мониторинг потребляемого электродвигателем тока осуществляется с помощью датчика ACS712. Принцип его работы основан на эффекте Холла. Максимальный измеряемый ток может достигать 30 А при напряжении до 354 В постоянного тока, а шаг измерения составляет 66 мВ/А. Гарантированный уровень шума в показаниях составляет 7 мВ, что можно устранить, применив методы фильтрации.

Суммарное пиковое потребление тока основных компонентов системы не превышает 400 мА при напряжении 3,3 В. Для питания от бортовой сети 12 В применен понижающий до 5 В импульсный стабилизатор LM2596, с максимальным выходным током до 3 А. Напряжение 5 В применяется для питания цифровой части энкодеров и дальномеров. Для понижения до 3,3 В применяется линейный стабилизатор AMS1117, с максимальным выходным током до 800 мА.

Выводы. Приведенная конструкторская характеристика робота-манипулятора доказывает, что простота в изготовлении позволит запустить данную конструкцию в производство. За счет использования электродвигателей и аккумуляторных батарей представленная нами в статье разработка сможет похвастаться и своей экологичностью при своей конструктивной простоте. Это значит, что сможет безопасно использоваться в закрытых складских помещениях и на заводах для перемещения тяжелых грузов. Рассматривая возможности представленной нами разработки, отметим, что есть возможность использования в промышленных регионах России таких как, Ленинградской, Самарской, Московской и Нижегородской областях. Так же есть возможность использования, в регионах, где применяют уже беспилотные тракторы, таких как в Краснодарском крае, Ульяновской и Псковской областях.