Робот-сапер: Zirk 5

Актуальность

В связи с проблемой терроризма и политической ситуацией в мире остро встает вопрос о применении техники в профессии сапера. В этой чрезвычайно опасной профессии имеет место применение передовых технологий и оборудования, однако так или иначе без человеческих жертв дело не обходится. Одно из возможных решений проблемы – использование роботов. На данный момент на вооружении многих стран имеются роботы-саперы (в Америке, к примеру, их называют "boom doctors"), но данные устройства скорее следовало бы называть дронами: «роботы» при помощи нескольких камер и манипуляторов или особых приспособлений (таких как водомет) осуществляют разминирование, удаленно управляемые людьми.

Цель работы: создание полуавтономного робота-сапера, представленного в виде мобильной платформы с манипулятором, способного выполнять задачи как автономно, так и с участием человека в условиях ограниченного пространства.

Задачи: 

• спроектировать и сконструировать действующую мобильную платформу; 
• спроектировать и сконструировать действующий манипулятор;
• разработать программное обеспечение для мобильной платформы;
• разработать программное обеспечение для манипулятора.

Содержание работы

В июне 2016 года была создана первая модель робота: Zirk 1.

Установка представляла из себя стандартную модель RacTrac3 из конструктора Lego Mindstorms. 

В отличие от предшественника Zirk 2 имел подвижную «голову», двигавшуюся вместе с поворотным механизмом передних колес, однако угол обзора был по-прежнему довольно узок, а сам поворотный механизм, несмотря на модернизацию, имел большие люфты. Также была предпринята попытка заменить отсутствующий гироскопический датчик датчиком цвета, двигающимся по цветной полоске.

В августе 2016 года была создана третья модель робота: Zirk 3.

Это была первая модель с «головой», способной двигаться независимо, что позволило увеличить угол обзора почти до 360 градусов. Поворотный механизм передних колес был значительно усовершенствован, что позволило значительно снизить люфты. Также благодаря приобретению дополнительного набора Lego Education робот получил возможность ориентироваться в пространстве при помощи гироскопического датчика. Робот также был снабжен черными экранами, поглощающими инфракрасное излучение и позволяющими скорректировать работу ИК-датчика.

В январе 2017 года была создана четвертая модель робота: Zirk 3М.

Данная модель не имела каких-либо резких отличий от предыдущей, однако модернизация поворотного механизма свела люфты на нет, а замена колес повысила проходимость робота.

В июле – августе 2017 года была создана модель: Zirk 4 Cracken. Эта модель открыла новую линейку роботов, главной особенностью которых является наличие двух «голов» и шести колес.

В сентябре – ноябре 2018 года вышла последняя модель – Zirk 5 Argus. Существенным отличием данной модели является наличие подвижной камеры с передачей изображения по радиоканалу при помощи радиомодуля. 

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Робот представляет из себя платформу с манипулятором.

Платформа имеет шесть колес и независимую подвеску. Колеса приводятся в движение двумя большими Лего-моторами. Передние колеса поворотные, поворотный механизм управляется средним Лего-мотором.

Робот имеет два дальномера: ультразвуковой (УЗ) и инфракрасный (ИК). УЗ-датчик расположен в передней части робота и благодаря двум сервомоторам Micro двигается в двух плоскостях. ИК-датчик расположен в задней части робота и приводится в движение средним Лего-мотором. Экспериментальным путем было выявлено, что ИК-датчик имеет большую дальность, но меньшую точность и сильно зависим от освещения и цвета объекта, а УЗ-датчик – большую точность, но меньшую дальность. Следовательно, ИК-датчик – для поиска препятствий и целей, а УЗ-датчик – для измерения и поиска путей объезда. 

Управляются и питаются моторы от блока Ev3. Манипулятор имеет 6 степеней свободы. Управление рукой осуществляется блоком Ev3 через плату-переходник. Питается рука от аккумуляторов LegoTechnic. Управление роботом осуществляется через микроконтроллер блока Ev3 либо через Bluetooth-модуль (блока Ev3).

На роботе установлены камера RunCam OWL-2, передающий радиомодуль TS832 и принимающий радиомодуль RC832 Plus. Программное обеспечение разработано в среде программирования Lego Mindstorms.

Выводы

Робот-сапер Zirk 5 Argus умеет:

1. автономно двигаться заданным курсом, объезжая препятствия;
2. передавать по линии связи на экран оператора видеоизображение с видеокамеры, имеющей угол обзора 170x95, с наложением информации о напряжении батареи;
3. по команде оператора: менять курс движения, останавливаться, возобновлять движение, подъезжать к предмету на расстояние захвата предмета манипулятором, складывать манипулятор в походное положение;
4. под управлением оператора захватывать, поднимать и перемещать предметы весом до 350 грамм, поворачивать видеокамеру вместе с манипулятором на угол до 135° относительно с продольной оси робота.

Перспективы использования результатов работы

Работу по проекту целесообразно продолжить в направлениях:

– замены микрокомпьютера Lego Mindstorms Еv3 на одноплатный компьютер Raspberry;

– автоматизации захвата предметов манипулятором;

– повышения проходимости, маневренности и мощности шестиколесной платформы.

Награды/достижения

Победитель городского конкурса проектов «Юные техники и изобретатели – 2018». 

Диплом III степени за лучшую работу по инженерному направлению на втором (межрайонном) этапе Московского городского конкурса проектных и исследовательских работ.