Файл: История научных исследований в области мобильных колесных роботов.pdf

13 отпал сам собой. А если в основу такого робота положить обычной автомобиль, то конструкция окажется еще более простой. Поэтому сейчас уже практически невозможно точно сказать, когда именно был создан первый мобильный робот в том виде, к которому мы сейчас привыкли.
Но говоря о мобильных колесных роботах нельзя не упомянуть о изобретении нейрофизиолога Грея Уолтера. В 1948 году им были созданы специальные мобильные роботы, предназначенные для изучения поведения и рефлексов животных [9]. Уолтер назвал этих роботов Элмер и Элси, но в различной литературе встречается и другое название – «черепашки» (из-за специфичного внешнего вида) (рис. 5).
Рисунок 5 – «Черепашки» Уолтера
Что касается функций, которые были заложены Уолтером в его детище, то «черепашки» могли двигаться к источнику света или наоборот, отворачиваться от него, а также избегать препятствий в ходе движения и, при необходимости, подзаряжаться в специальных «кормушках». Эта разработка внесла заметный вклад не только в нейрофизиологию, но и в робототехнику, поскольку это были одни из первых (если не первые) роботов, которые способны были действовать на в соответствии с окружающими условиями, а не в соответствии с заданным алгоритмом.

14
В состоянии «покоя» «черепашки» свободно перемещались по помещению, имитируя свободный поиск. Если в процессе движения происходило столкновение с препятствием, то робот отъезжал назад и объезжал его. Если же в процессе «поиска» робот замечал источник света, то начинал двигаться в его сторону. На определенном расстоянии от него он останавливался – Уолтер заложил в «черепашек» боязнь ослепнуть. Однако, при разрядке аккумулятора робот начинал «проявлять больший интерес» к источнику света, т.к. он исходил от зарядной станции. И наконец робот заезжал в нее, подзаряжал аккумулятор и возвращался к состоянию «покоя».
Еще одна интересная особенность, о которой следует упомянуть, заключалась в возможности обучения этих роботов. Перед столкновением с препятствием Уолтер подавал определенный звуковой сигнал и спустя некоторое время один из роботов «выработал» рефлекс: он начинал маневр
«уклонения» еще до того, как происходило собственно столкновение.
Робот Шэйки
В центре
Искусственного
Интеллекта
(Стэнфордский
Исследовательский институт) на протяжении 6 лет (1966-1972 гг.) велись работы по созданию робота Шэйки (рис. 6). Данный робот является первым роботом, который был способен к логическому анализу своих действий.
Другими словами, Шэйки был способен самостоятельно решить, в какой последовательности необходимо действовать, чтобы решить поставленную оператором задачу.

15
Рисунок 6 – Робот Шэйки
Испытания робота проводились в специальном помещении, которое было разделено на несколько комнат, соединенных коридорами. На входе в комнаты стояли двери, также имелись выключатели света. Также в некоторых комнатах были специальные объекты, с которыми Шэйки мог взаимодействовать.
В ходе работы с роботом оператор отдавал различные команды, например «столкнуть блок с платформы». Шэйки преобразовывал эту команду в последовательность более простых: обнаружение платформы и блока – обнаружение пандуса платформы – перемещение к пандусу и заезд на него – сталкивание блока с платформы.
Необходимо понимать, что реализация подобного робота – весьма непростая задача. Необходимо было разработать мощный интерпретатор команд оператора, поскольку они отдавались с помощью обычного текста.

16
Также была проведена большая работа в области машинного зрения
(обнаружение и распознавание объектов в видео-потоке).
Планетоходы
Среди мобильных колесных роботов особняком стоят планетоходы. Они играют важнейшую роль в изучении других планет.
Первым планетоходом является «Луноход-1», который был создан советскими инженерами и 17 ноября 1980 года сделал первые «шаги» по поверхности Луны [6]. Задачи, которые стояли перед ним, заключались в изучении грунта Луны, ее поверхности в целом, а также регистрация рентгеновского и радиоактивного космического излучения. Первый планетоход проработал почти год и вышел из строя 14 сентября 1971 года.
Первоначально разработку планетоходов курировал Сергей Королев. В последующем эта область была передана Георгию Бабакину (КБ им.
Лавочкина).
Шасси первых планетоходов (рис. 7, а) напоминало шасси танков и это неудивительно, поскольку конструктора заимствовали оттуда удачные идеи
[1]. К слову, в ходе работы рассматривались и иные способы перемещения, но практика показала, что колесный привод наиболее оптимален.
Корпус планетохода имел цилиндрическую форму и напоминал кастрюлю с откидной крышкой. Внутри корпуса располагался приборный отсек, а с обратной (внутренней) стороны крышки размещались солнечные батареи. Когда появлялось солнце, крышка откидывалась и батареи начинали генерировать энергию (рис. 7, б).
Луноход-1 управлялся дистанционно из Центра Управления на Земле. В процессе управления была задействована целая бригада специалистов, каждый из которых выполнял свою задачу:
 командир экипажа – принятие решений и глобальное руководство;
 водитель – собственно процесс управления луноходом;
 штурман – навигация;

17
 бортинженер – отслеживание текущего состояния бортового оборудования;
 оператор систем связи – мониторинг и корректировка ориентации остронаправленной антенны. а б
Рисунок 7 – Луноход 1

18
Если говорить о системе управления «Лунохода-1», то согласно принятой в настоящее время классификации мобильных роботов [7] данный планетоход является простейшим устройством, поскольку все управление осуществлялось исключительно вручную. Правда современные планетоходы в этом отношении не сильно отличаются от своего прародителя – до сих пор все управление ими осуществляется с Земли.
Однако, когда речь заходит о других системах и узлах этого мобильного робота, то нельзя не отметить оригинальные решения, используемые в них.
Как уже отмечалось выше, в основе шасси «Лунохода-1» лежала танковая подвеска (в вариации с продольным качанием рычагов). Благодаря такому решению планетоход был способен преодолевать препятствия, высота которых составляла до 400 мм. Но, в отличии от исходной конструкции, которая использовалась в танках, «Луноход-1» был оснащен более простой трансмиссией, ведь каждое из его колес являлось приводным и было оборудовано собственным приводом (т.е. фактически колеса являлись мотор- колесами), построенным на базе двигателя постоянного тока.
Инженеры предусмотрели ситуацию, когда колесо лунохода может заклинить – в этом случае происходил подрыв специального пиропатрона, в результате чего разрушалось соединение трансмиссии и «проблемного» колеса. Таким образом, колесо из ведущего превращалось в ведомое и планетоход мог продолжать движение. Инженерами был заложен «запас мобильности», позволявший таким образом «подорвать» до 5 колес без потери ходовых качеств.
Говоря об особенностях конструкции «Лунохода-1» нельзя не упомянуть о его колесах. В их основе лежали три обруча, выполненные из титана, которые были соединены с помощью сетки. На поверхности сетки располагались специальные грунтозацепы (рис. 8). Разработчики конструкции колеса предполагали, что в процессе перемещения по твердой поверхности основную роль будут играть обручи, а при перемещении по сыпучему грунту
– сетка. Грунтозацепы же при необходимости должны выгребать сыпучий

19 грунт. Но, как показала практика, чаще всего планетоходу в движении помогали именно грунтозацепы.
Рисунок 8 – Колесо лунохода

20
ПРИМЕНЕНИЕ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ В НАШЕ ВРЕМЯ
Мобильные роботы в промышленности
В наше время наибольшее применение мобильные роботы нашли в промышленности. Все чаще предприятия отказываются от традиционных конвейеров в пользу роботов. И этот выбор вполне понятен, ведь в случае модернизации технологической цепочки или даже ее полного изменения нет необходимости перепроектировать имеющийся цех – достаточно обновить программу используемых роботов.
Говоря о мобильных роботах в промышленности нельзя не упомянуть компании Amazon и LAPP. Несмотря на схожее назначение – транспортировку грузов – облик используемых этими компаниями роботов довольно сильно отличается.
Мобильный робот, используемый на складах компании Amazon, внешне напоминает уже привычный нам робот-пылесос (рис. 9) [14]. Устройство заезжает под специально спроектированный стеллаж, приподнимает его и перемещает в нужное место. При этом в процессе движения робота, при его повороте стеллаж не вращается.
Рисунок 9 – Складской робот компании Amazon

21
Интересна система навигации, используемая в данных роботах. Склад, в котором они находятся, «поделен» на «клетки», по которым перемещаются роботы и в которых располагаются стеллажи. В центре каждой «клетки» есть специальная метка, которая дает возможность роботу однозначно определить свое местоположение. Такая система позволяет снизить стоимость роботов за счет уменьшения числа используемы датчиков (да и сами датчики в данном случае более простые и дешевые).
Несмотря на то, что робот компании LAPP (рис. 10) [13] также предназначен для транспортировки, его конструкция очень сильно отличается от робота Amazon. В первую очередь это связано с особенностями перемещаемого груза – катушек кабелей.
Рисунок 10 – Транспортный робот LAPP Kabel
Шасси робота простроено на базе четырех приводных колес, причем каждое из них может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Благодаря этому робот имеет очень высокую степень маневренности и способен двигаться в любую сторону, не поворачивая корпус.
Навигационная система робота LAPP состоит из двух компонентов.
Основная ее часть построена на базе LIDAR – кругового лазерного дальномера. А в основе вспомогательной навигационной системы лежит технология инерциальной навигации.

22
Мобильные роботы в сфере обслуживания
Говоря об использовании мобильных роботов в сфере обслуживания нельзя не сказать о роботах-пылесосах. Данный класс роботов очень прост с точки зрения конструктива. Первое подобное устройство было представлено еще в 2002 году компанией iRobot [11] – оно получило название Roomba (рис.
11).
Внешне робот Roomba представляет собой диск высотой 10 см и диаметром 35 см. «Передняя» зона робота оборудована инфракрасным датчиком, который отслеживает положение стен, а также датчиком столкновений. Для уборки используется специальная вращающаяся щетка, которая «закидывает» мусор в специальный контейнер. Функция всасывания, реализованная в некоторых моделях, является дополнительной и не активна все время.
Рисунок 11 – Робот-пылесос iRobot Roomba
В качестве источника питания в Roomba используются встроенные аккумуляторы. В первых моделях для их подзарядки пользователю было необходимо самостоятельно подключать робота к электрической сети. Но в

23 последующих модификациях роботы-пылесосы научились самостоятельно искать зарядные станции, ориентируясь на данные, получаемые с помощью инфракрасного датчика.
В 2003 году та же компания iRobot выпустила еще одного робота- уборщика, который получил название Intellibot (рис. 12). Данное устройство также является роботом-уборщиком и предназначено для влажной уборки на больших территориях, например в больницах, торговых центрах и т.д. В отличии от роботов-пылесосов данное устройство имеет большие габариты
(до 1 метра в высоту). Это связано с тем, что Intellibot оборудован довольно сложной системой очистки воды.
Рисунок 12 – Робот-уборщик iRobot Intellibot
Чаще всего данные роботы используются в составе группы из нескольких устройств. С помощью беспроводных каналов связи каждый
Intellibot связывается с центральным компьютером, который осуществляет управление всей системой. В качестве источника питания робота выступает встроенный аккумулятор, ресурса которого хватает на 4 часа непрерывной работы.

24
Но различные роботы-уборщики – не единственная сфера применения мобильных роботов. Так, в 2006 году инженеры компании Sony продемонстрировали PatrolBot – робота-охранника (рис. 13). Его основной задачей являлась патрулирование территории, обнаружение посторонних лиц, наблюдение за состояние дверей и замков и т.д. Кроме того, PatrolBot способен перемещать небольшие грузы и выполнять некоторые другие вспомогательные задачи.
Рисунок 13 – Робот-охранник PatrolBot
Робот был оборудован видеокамерой, которая совместно со специальным алгоритмом обработки информации позволяла производить наблюдение за территорией. Также с помощью камеры робот определял свое текущее положение.
Беспилотные автомобили
Сама идея беспилотного автомобиля не нова – в том или ином виде такие устройства встречались в произведениях фантастов еще 40-50 лет назад. И действительно, что может быть проще, чем объединить обычный автомобиль

25 и компьютер, заставив второй управлять первым? Но, как оказалось, все далеко не так просто.
Автором первой беспилотной машины принято считать Эрнста
Дикманса, инженера из Университета Бундесвера [10]. Его разработка –
VaMoRs – в ходе испытаний (1987 год) смогла проехать 20 километров на скорости более 90 км/ч (рис. 14). «Навигационная» система автомобиля была построена на базе пары видеокамер, также использовались некоторые дополнительные датчики.
Рисунок 14 - Автомобиль VaMoRs
В 1994 году была представлена новая версия беспилотного автомобиля, которая получила название VaMP. В отличии от своего предшественника она была способна самостоятельно распознавать дорожную разметку, а также определять свое положение относительно других машин, находящихся в 100- метровой зоне. А в 1995 году команда Дикманса представила модернизированный Mercedes S-class, который самостоятельно проделал путь в 1600 км из Мюнхена в Оденс, развивая скорость до 180 км/ч.
Чтобы стимулировать развитие беспилотных автомобилей, в 2004 году
DARPA (агентство передовых оборонных исследований США) организовало

26 специальные соревнования. В рамках данного мероприятия разработки участников должны преодолеть трассу в 150 миль, проходящую по каменистой пустыне. И если в 2004 году никто из участников не смог добраться до финиша (лучший результат составил всего 7,5 миль), то уже в
2007 году некоторым это удалось. Стоит отметить, что во второй раз организаторы к пустынному участку добавили еще и городской, протяженностью в 60 миль, на котором был создан искусственный трафик.
Широко известны беспилотные автомобили компании Google – это модернизированные версии автомобилей Toyota Prius (рис. 15). Первые семь моделей были введены в эксплуатацию в 2010 году и к 2012 году их суммарный пробег по дорогам США составил более 140 тысяч миль.
Рисунок 15 – Google Toyota Prius
В беспилотных машинах «от Google» для навигации используется система, состоящая из трех компонентах. Первый компонент – круговой лазерный дальномер LIDAR. С его помощью автомобиль определяет свое положение относительно окружающих его предметов (при условии, что они лежат в плоскости сканирования и способны отражать свет). Второй