Разработка мобильной платформы под управлением голосового интерфейса для осуществления работ в труднодоступных местах

Актуальность

Одним из наиболее интересных направлений развития робототехники является решение задач разного направления в условиях агрессивной внешней среды, не позволяющей проводить работы в присутствии человека. Примерами такого применения можно назвать:

-   проведение подводных/глубинных работ;

-   выполнение работ в условиях пониженных или повышенных температур или высокого давления;

-   применение в условиях химического или радиационного заражения;

-   применение в условиях Космоса.

Российские наработки в области создания и применения робототехники и иных механизмов, работающих в экстремальных условиях, всегда были наиболее конкурентоспособными и успешными. Можно с уверенностью сказать, что данный сегмент всегда был и остаётся наиболее наукоёмким, требующим неординарных изобретательских решений и глубоких теоретических знаний во многих смежных областях науки, в том числе физике, химии, микробиологии.

Именно поэтому при реализации проекта была выбрана задача построения дистанционно управляемого робота, предназначенного для выполнения передвижения в труднодоступных местах. Выполнение данного проекта позволит получить навыки и опыт по решению задач проектирования платформы, программирования движения робота и дистанционного управления с применением голосовых команд.

Цель

Создание дистанционно управляемого робота под управлением голосового интерфейса для осуществления работ в труднодоступных местах и других сферах работ.

Задачи

1. Разработка шаговой платформы робота и манипулятора.

2. Разработка электрических схем, сборка электросхемы робота.

3. Разработка программного кода управления платформой.

4. Разработка мобильного приложения для дистанционного управления.

5. Разработка голосового интерфейса для осуществления управления.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Рабочее место (ноутбук): asus-x555l
• Программное обеспечение: SOLIDWORKS 2016 x64 Edition
• Программный комплекс 3D-моделирования 3D BIZon Prusa i3 Steel
• Аппаратно-программный комплекс лазерной обработки Raylogic 11G 530 лайт
• Хранение всех данных осуществлено на github
• Arduino для программирования робота
• PyCharm для создания голосового интерфейса

Описание

Работа по созданию робота под управлением голосового интерфейса для осуществления работ в труднодоступных местах включала следующие этапы:

• проектирование, прототипирование, конструирование шаговой платформы робота и манипулятора;
• разработка электрических схем, сборка электросхемы робота;
• разработка программного кода управления платформой;
• разработка мобильного приложения для дистанционного управления;
• разработка голосового интерфейса для осуществления управления;
• тестирование элементов системы;
• комплексное тестирование системы.

В ходе проектирования были созданы проекты следующих узлов и деталей:

• подвижная шаговая платформа с креплением всех щупалец;
• щупальца с колёсной основой;
• щупальца с безколёсной основой;
• два серводвигателя для управления клешнями;
• подвижная часть манипулятора для крепления и перемещения клешней;
• крепёжные элементы.

В ходе конструирования элементов робота были использованы следующие узлы и детали:

• спроектированные узлы и детали;
• готовые элементы (платы и схемы).

В ходе разработки электрической схемы была создана и реализована схема, обеспечивающая управление роботом.

В роботе Паук интегрированы 4 системы управления различными механизмами робота и навигации:

• система передвижения;
• система управления манипулятором;
• система управления захватом;
• система дистанционного управления.

Созданная система передвижения робота состоит из модуля управления Arduino Uno, драйвера двигателя 4А, двух моторов. Плата управления Arduino Uno получает питание через драйвер двигателя 4А через специальные порты подключения. Драйвер двигателя соединён через предохранитель и кнопку «Аварийное отключение».

Перемещение робота осуществляется с помощью шести подвижных лап, на четырёх из которых расположены колёса для более быстрого перемещения, которые соединены с выходным валом редуктора двигателя постоянного тока. Двигатель получает питание от драйвера 4А. Робот выполняет перемещение в прямом направлении при условии равенства угловых скоростей левых и правых колёс. Если изменять угловую скорость колёс, то робот будет осуществлять поворот в сторону того колеса, скорость которого меньше. Регулирование скорости вращения вала двигателя постоянного тока осуществляется изменением подаваемого напряжения.

Система щупалец представляет собой два серводвигателя, подключённых к системе управления роботом через плату расширения (Multiservo shield). Питание плата расширение (Multiservo shield) получает через DC-DC преобразователь, подключённый к аккумулятору робота через предохранитель и аварийную кнопку отключения.

В ходе создания программного кода управления платформой и манипулятором разработаны следующие приложения:

• программный код Arduino для управления колёсной базой и шаговой базой робота;
• программный код мобильного приложения;
• программный код голосового интерфейса.

При разработке голосового интерфейса было создано 2 программных модуля:

• программный модуль Probka осуществляет мониторинг аудиосигнала и запуск подфункции системы;
• программный модуль probka_functions содержит функциональные команды, исполняемые системой.

В ходе реализации проекта было проведено несколько экспериментов на основе голосового интерфейса (Пробка) в различных аппаратных конфигурациях.

Состав аппаратно-программной платформы для 1 эксперимента включает:

• микрофон, воспринимающий голосовые команды;
• ноутбук, обрабатывающий голосовые команды и выполняющий роль ядра системы управления (на базе Intel Core i7-7700) под управлением операционной системы Windows 10;
• плату Arduino + NRF24L01, подключённую к ноутбуку для обеспечения взаимодействия между ноутбуком и роботом;
• приёмник Arduino + NRF24L01 на мобильном устройстве для приёма команд на мобильном устройстве;
• мобильный робот на базе платформы Arduino и базовой модификации учебного робота (разработка учебного центра НИТУ «МИСиС»).

Состав аппаратно-программной платформы для 2-го эксперимента включает:

• микрофон, воспринимающий голосовые команды;
• одноплатный компьютер Raspberry pi 3 b+ под управлением операционной системы Raspbian (Linux);
• плату Arduino + NRF24L01, подключенную к ноутбуку для обеспечения взаимодействия между ноутбуком и роботом;
• передатчик сигнала NRF24L01;
• приёмник сигнала Arduino + NRF24L01;
• мобильный робот на базе платформы Arduino и базовой модификации учебного робота (разработка учебного центра НИТУ «МИСиС»).

Состав аппаратно-программной платформы для 3-го эксперимента включает:

• микрофон, воспринимающий голосовые команды;
• ноутбук, обрабатывающий голосовые команды и выполняющий роль ядра системы управления (на базе Intel Core i7-7700) под управлением операционной системы Windows 10;
• программный стимулятор (внешнее программное обеспечение) – сайт VK.ru.

Эксперимент включал отработку следующих действий пользователей на сайте VK.ru с помощью голосовых команд, обрабатываемых Системой:

• ответы на сообщения в чате;
• мониторинг последних сообщений;
• включение музыки в ВК;
• остановку и смену громкости музыки в ВК.

Дополнительно обрабатывались команды, исполняемые операционной системой и браузером:

• открытие и закрытие приложений;
• поиск в сетях информации по запросу пользователя.

По результатам проведённых экспериментов были внесены оптимизационные изменения в программный код системы, и голосовой интерфейс был применён на аппаратно-техническую платформу «Робот-Паук».

Результаты работы/выводы

1. Экспериментальным путём определена конструкция двойных щупалец.

2. Отработано управление несколькими сервоприводами одновременно.

3. Реализована двойная система управления роботом: стандартное передвижение.

4. Создано ручное управление для преодоления препятствий.

5. Разработан мультиплатформенный голосовой интерфейс (Пробка) для управления периферийными устройствами.

6. Проведён ряд натурных экспериментов по интеграции систем.

7. Реализована двойная система получения команд роботом.

8. Установлена стандартная передача при помощи NRF24l01.

9. Создан резервный канал связи в виде Bluetooth-подключения.

10. Разработана система (программный код, аппаратный интерфейс) самодиагностики робота.

Перспективы использования результатов работы

Разработанное решение может использоваться в дальнейшем учебном процессе, позволяет проводить исследования как дополнительных аппаратных элементов, так и программного обеспечения.

Наиболее перспективными направлениями развития робота являются:

• добавление метода математического преобразования сигнала передачи команд;
• улучшение инструментов-манипуляторов и разработка многовекторного захвата;
• добавление видеокамер для удобства управления роботом на расстоянии;
• добавление инструментов диагностики факторов окружающей среды или измерительных приборов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Робоцентр НИТУ МИССиС

Награды/достижения

1. Конференция «74-е Дни науки» – победитель.

2. Конференции «75-е Дни науки» – победитель.

3. Конференция МГК – участник.

4. Конференция «3D БУМ» – участник.

Мнение автора

«Я считаю, что реализация данного проекта дала мне возможность приобрести множество важных знаний как в области проектирования элементов, так и в области программирования. Наиболее интересными задачами на проекте были задачи по интеграции аппаратной и программной подсистем, нахождение оптимального сочетания надёжности передачи данных и скорости обработки команд.

Сам проект продолжает развиваться, и на данный момент рассматривается глобальное изменение модели на основе полученных результатов с тестовой моделью. Разработанная платформа уже способна решать многие задачи и позволяет изучать новые элементы и программное обеспечение, разрабатываемые для других проектов»