RoboAnt – многоцелевые роботы на базе универсальной шагающей платформы

Актуальность

Сфера применения автономных роботов – исследовательская деятельность и выполнение работ в недоступных или опасных для человека зонах. Примеры исследовательской деятельности: измерение параметров среды при помощи различных датчиков; фотографирование, видеосъёмка, патрулирование. Примеры манипуляций: взятие образцов, минирование, разминирование, разрушение, ремонтные работы, строительные работы, транспортировка.

Если обсуждать «сухопутных» роботов, то им, как правило, требуется обеспечить режим движения с устойчивым контактом с поверхностью. Шагающим роботам с небольшими (условно – «точечными») ступнями для такого движения потребуется минимум четыре ноги. (Шагающий робот – ноги переступают по поверхности). Для колесных роботов устойчивый контакт возможен, когда они имеют более двух колёс. Колесная база часто ограничивает сферу применения автономных роботов на пересечённой местности. Роботы на гусеничной платформе отличаются большей проходимостью, но всё же не настолько универсальны, как шагающие роботы. Шестиногие и четвероногие роботы в силу устойчивого контакта с поверхностью более перспективны, чем двуногие. Шагающие роботы более пригодны для передвижения по пересечённой местности. А труднодоступные и опасные для человека места – это как раз и есть места со сложной и неизвестной структурой поверхности.

Шагающая платформа – основа многоцелевых роботов. На платформе могут быть установлены различные манипуляторы и датчики. Они могут расширять сферу применения или определять специализацию. Следует признать, что шагающая платформа сложнее колёсной. Большое количество структурных элементов можно назвать недостатком в силу потенциальных проблем с надежностью конструкции. Основная сложность шагающих роботов – это непростые алгоритмы движения. Требуются проработанные концепции.

К сожалению, сопровождающая подобные модели инструкция (нередко только минимальная видеоинструкция по сборке) никак не описывает концепции шагающих роботов. При этом встречаются и сомнительные с практической точки зрения решения с разной схемой сборки левых и правых ног, в то время как легко можно было бы применить единую схему и обеспечить универсальность и взаимозаменяемость конечностей. Таким образом, покупатель часто получает только механику, в лучшем случае с ограниченным предустановленным набором нелепо выглядящих движений.

Цель

Собрать, запрограммировать автономного многоцелевого робота-гексапода, способного самостоятельно передвигаться и преодолевать препятствия, а также подготовить проектную документацию, описывающую концепцию разработки многоцелевых роботов на шагающей платформе.

Задачи

1. Изучить особенности шагающих роботов и собрать действующую платформу.

2. «Обучить» платформу базовым элементам движения.
3. На базе платформы собрать многоцелевого робота, способного преодолевать препятствия.
4. По зафиксированным на каждом этапе проекта действиям создать пошаговую документацию по сборке и настройке шагающего робота.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компоненты «Robo-Soul CR-6 Hexapod»
• Сервоприводы и плата управления сервоприводами (желательно укомплектованная беспроводным модулем)
• Блок аккумуляторов и зарядка к нему
• Микрокомпьютер Arduino (UNO или MEGA)
• Ультразвуковой дальномер
• ИК-датчик в комплекте с пультом
• Динамик
• Провода
• Детали «скелета» ног и корпуса
• Персональный компьютер с установленным на него ПО
• ЧПУ

Описание

В своей работе автор занимался проблемой разработки концепции универсальных шагающих (с устойчивым контактом с поверхностью) платформ как основы для сборки многоцелевых автономных роботов. В частности, описан подход к созданию автономных роботов на шестиногой шагающей платформе. Именно эту платформу автор считает наиболее универсальной и перспективной в условиях пересечённой местности. Для создания платформы автор выполнил следующие этапы:

1. Собрал стенд для проверки и позиционирования сервоприводов;
2. Выполнил сборку ног и корпуса;
3. Подключил к плате сервоприводы;
4. Собрал голову робота с ультразвуковым дальномером;
5. Запрограммировал платы сервоприводов

При программировании платформы разработаны следующие группы активности, в том числе и новые:

• движение вперёд и движение назад;
• движение боком влево и движение боком вправо;
• поворот влево и поворот вправо;
• поворот головы влево и поворот головы вправо;
• центрирование головы;
• открытие и закрытие челюстей;
• установка ног в исходное положение (остановка);
• упаковка и распаковка;
• элементы демонстрационного танца – различные повороты и наклоны с сохранением положений ступней ног.

В рамках проекта RoboAnt описана концепция шестиногого робота, разработаны готовые наборы команд для платы управления сервоприводами и демонстрационная программа для управляющего микрокомпьютера. Изготовлен демонстрационный образец робота.

Результаты работы/выводы

1.    Создан действующий многоцелевой шестиногий автономный робот.

2.    Разработано и отлажено программное обеспечение к роботу.

3.    Подготовлена инструкция по сборке, настройке робота на шагающей платформе.

Перспективы использования результатов работы

Дальнейшее развитие платформы возможно в сторону повышения адаптации движений к особенностям конкретной пересечённой местности. Потребуется интеграция дополнительных датчиков (датчиков контакта, гироскопа и прочих) для оценки окружающей обстановки. Алгоритмы математической модели могут быть использованы в программе управляющего микрокомпьютера для расчёта новых, адаптированных к среде последовательностей движений для загрузки их в плату управления сервоприводами (например, для движения по наклонной поверхности или по ступеням лестницы). Устанавливая различные манипуляторы, датчики, системы на базе единой шагающей платформы, можно создавать и многоцелевых роботов-«универсалов», и узкоспециализированных «суперпрофессионалов».

Возможна следующая модернизация:

1. Аппаратная модернизация (тело)

•  Более мощный управляющий микрокомпьютер
•  Лазерный дальномер в «голове»
•  Модуль Wi-Fi
•  Видеокамера
•  Дополнительные инфракрасные датчики расстояния
•  Гироскоп («Вестибулярный аппарат»)
•  Блок внешней памяти («Чёрный ящик»)
•  Установка колёс на четыре ноги («Роликовые коньки»)
•  Датчики контакта с поверхностью

2. Программная модернизация (разум)

•  Коммуникация Wi-Fi
•  Видеосвязь
•  Работа с лазерным дальномером
•  Озвучивание движений
•  Озвучивание работы алгоритмов
•  Модели аварийных движений (с имитацией потери конечностей) 5, 4, 3, 2, 1
•  Движение боком с учётом боковых датчиков
•  Аварийная реакция на переворачивание и на нештатные наклоны
•  Катание на роликах
• Встроенная программа расчёта движений (Arduino) с автозагрузкой в плату сервоприводов (перезапись базовых движений)
•  Режим восстановления базовых движений из внешнего блока памяти

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Награды/достижения

1. Акселератор технологических проектов для школьных команд 8−11 классов «Технолидеры будущего» – победитель.
2. Акселератор технологических проектов «Технолидеры Москвы» – победитель.
3. Международный конкурс проектов молодых исследователей и инженеров в области нейротехнологий и искусственного интеллекта «Neurotech Cup 2021» – первое место (отборочный этап).
4. Конференция научно-исследовательских и проектных работ школьников «Шаг в исследование» – победитель.
5. Конкурс проектов «Технологии будущего» (хакатон) – победитель.
6. Всероссийская научно-практическая конференция «Старт в инновации» – призёр.
7. Олимпиада школьников «Шаг в будущее» по профилю «Инженерное дело» – призёр.