Unikátní mobilní robot z Brna

Tým pracovníků Ústavu automatizace a informatiky fakulta strojního inženýrství VUT v Brně, který se podílel na řešení Výzkumného záměru MŠMT ČR J22/98:26000013 Automatizace technologií a výrobních procesů (řešitel prof. P.Vavřín), představil mobilní robot s vícesměrovým podvozkem OMR (Omnidirectional Mobile Robot). Na otázky TT odpovídá vedoucí odboru automatizace Ústavu automatizace a informatiky Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně doc. Ing. Branislav Lacko, CSc. Jaké jsou hlavní konstrukční a provozní parametry OMRIII? Cílem výzkumu bylo vyvinout prototyp mobilního robotu s vícesměrovým podvozkem a na tomto vývojovém funkčním modelu vyzkoušet řadu určitých řešení. Trojkolový podvozek je osázen koly na vnějším okraji. Jejich osy svírají proti sobě úhel 120° a kola jsou snadno výměnná. Každé je poháněno samostatně řízeným stejnosměrným motorem. V poslední verzi byly použity integrované servopohony s vlastní výkonovou částí, připojené k řídicí jednotce průmyslovou sběrnicí CAN. Ve spodní části robotu jsou pohony a akumulátory. V horní se nachází řídicí část s elektronikou. Má formu výměnné desky a v různých variantách lze na ní odzkoušet řídicí systém na bázi programovatelného automatu a také řídicí systém s mikrokontrolérem. Řídicí systémy mají důsledně modulovou koncepci. Ovládání probíhá prostřednictvím ručních prvků, připojených vícežilovým kabelem, a dálkovým rádiovým řízením. Implementovány byly různé senzory (optické, kapacitní, ultrazvukové) a akcelerometry ve speciálním mikročipu. Konstrukčně je podvozek modelu OMRIII proveden jako šestihran z hliníkových profilů o průměru opsané kružnice 500 mm a výšce 100 mm. Na něm mohou být osazeny další moduly stejného rozměru s volitelnou elektronikou, či mechanická zařízení. Hmotnost podvozku činí cca 15 kg, z toho téměř polovina připadá na napájecí akumulátory. Průměr kol činí 120 mm. Světlá výška podvozku: 35 mm. Motory mohou vyvinout výkon až 80 W. Kroutivý moment je 3,5 Nm. Maximální počet otáček: 220.min-1. Dosah dálkového ovládání závisí na použitém spojovacím prostředku. U poslední verze byla použita souprava radiomodemů DECT s garantovaným bezchybným přenosem dat rychlostí až 96 kB do vzdálenosti 300 m. V budovách je to méně. Kdo jsou hlavní tvůrci OMRIII? Vývoj robotu je výsledek týmové práce pracovníků Ústavu automatizace a informatiky fakulta strojního inženýrství VUT v Brně. Všesměrový kolový podvozek je založen na využití patentů, jejichž autorem je doc. Ošmera. Kinematický rozbor řízení podvozku a identifikaci polohy robota prostřednictvím optických čidel řešil ing. Soukup. Řídicí systémy navrhli Ing. Němec a ing. Holý. Mechanické provedení podvozku realizovali Ing. Holý a J. Čech. Řadu návazných problémů, které byly řešeny v návaznosti na použití mobilních robotů zpracovali doc. Šeda (trajektorie pohyby mobilního robotu), Ing. Vdoleček (problémy automatické diagnostiky), doc. Ošmera a doc. Švarc (problémy automatického řízení), Ing. Davidová (identifikace stavu objektů s využitím fuzzy množin), doc. Lacko (metody pro vyhledávání aplikací mobilních robotů) aj. Některé dílčí problémy řešili také studenti našeho ústavu v rámci svých diplomových a disertačních prací. Jakými manévrovacími schopnostmi OMRIII disponuje? Základní vlastností tohoto typu podvozku je možnost pohybu z místa libovolným směrem. Vektor translační složky výsledné pohonné síly lze za pohybu i v klidu libovolně natáčet. K této složce je možné připojit i složku rotační. Manévrovací schopnosti v rovině jsou tak v podstatě neomezené. Zkoušely se na úloze stabilizace inverzního kyvadla. Inverzním kyvadlem je kupř. tyčka, se kterou artista balancuje na špičce prstu. Tato úloha je složitá z hlediska řízení a měření svislé polohy kyvadla a vyžaduje okamžité pohyby podvozku všemi směry. Naše roboty jsou však schopny tuto úlohu zvládnout, pokud počáteční náklon kyvadla nevyžaduje vyšší zrychlení pohybu, než je podvozek schopen vyvinout. Pohybuje-li se robot po hladkém povrchu, může při větších zrychleních dojít k prokluzu kol. Bez dalších opatření by to vadilo, protože základní údaje o skutečném pohybu se získávají ze snímačů otáčivého pohybu kol. Proto je řízení doplněno o algoritmy, které stanoví korekce od pomocných veličin, jako jsou momenty a zrychlení motorů. Byly ověřovány i různé metody vnější navigace. Jako nejvýhodnější se jeví optické snímání relativního pohybu vzhledem k podložce, podobně jako v systému optické počítačové myši. Lze mobilní roboty využívat ve výrobní a logistické sféře? Všesměrový mobilní robot této konstrukce je určen pro aplikace, kde se vyžaduje vysoká manévrovací schopnost v omezeném prostoru a přesný pohyb po složité dráze. Mezi typické příklady patří transportní roboty ve vnitropodnikové dopravě, robotické vozíky ve skladovém hospodářství, robotické vozíky pro čištění podlah apod. V současné době se očekává nástup tzv. osobních robotů. Do této kategorie náleží robotické vysavače, úklidové roboty pro čištění bazénů, různé asistenční a podpůrné manipulační roboty apod. Kde se často klade akcent na vysokou manévrovatelnost v omezeném prostoru, tam jsou mobilní robotické systémy s vícesměnovými podvozky (jaký má OMRIII) velmi výhodné. Ve srovnání s kolovými, pásovými i s kráčejícími systémy podvozků (kupř. pásové podvozky mohou třením poškozovat povrch, po němž se pohybují, kráčející podvozky jsou náročné na výrobu a řízení apod.). Projevila už některá česká nebo zahraniční firma zájem o výrobu OMIII? Dosud ne. Domnívám se, že je to důsledek malého zájmu průmyslových firem o využití robotických systémů u nás. Japonský průmysl a japonské firmy využívají robotické systémy ve velkém rozsahu a předstihly ostatní svět: jak v počtu aplikací průmyslových robotů, tak ve vývoji a prodeji různých kybernetických hraček (kupř. kybernetický pes AIBO), či humanoidních robotů (viz robot ASIMO, předváděný u v srpnu 2003 v rámci návštěvy japonského premiéra v ČR). Paradoxně: průkopníkem v nasazování robotů je země, kde je početná pracovní síla. To ukazuje, že důvody nízkého počtu nasazovaných robotů u nás tkví v jiných skutečnostech, než je efektivnost nasazování robotických systémů. Obava našich průmyslových firem, že problémy s praktickým využitím současných robotů narážejí na velké technické potíže, je samozřejmě omyl. Tuto bariéru mohou odstranit robotické stavebnice (kupř. Lego 3804 - Robotics Invention System(tm)), jejichž prostřednictvím se i mladí lidé mohou nenásilně seznámit s principy ovládání a využívání robotů. Na druhé straně je potěšitelné, že ČR nezaostává ve výzkumu a vývoji robotických systémů. Třeba v našem ústavu řeší výzkumná skupina mechatroniky pod vedením doc. Březiny problematiku kráčejících robotů. Úspěchy českého robotického výzkumu jsou patrné i na mezinárodních soutěžích mobilních robotů. Vzpomeňme na dobré umístění studentů ÚAMT FEKT VUT Brno v evropském robotickém fotbale a na úspěchy záchranného mobilního robotu Orpheus z téhož pracoviště, na 2. místo R-teamu z Rychnova ve finále Eurobot v roce 2005 a další. /wa/