CC BY
83
УДК 621.865.8:681.5.01
О.В. Егоркин
ст. преподаватель, кафедра «Технология машиностроения», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Д.А. Старое
магистрант,
кафедра «Технология машиностроения», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
СОЗДАНИЕ АЛГОРИТМА ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ ГИБКИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЦЕХОВ
Аннотация. Рассмотрен способ построения траектории движения мобильного робота для обслуживания ГПС с помощью точного разложения по ячейкам. Адаптивность мобильного робота достигается использованием специального алгоритма движения. Алгоритм строится по принципу разбиения участков цеха на отдельные ячейки.
Ключевые слова: мобильный робот, точное разложение по ячейкам, гибкий автоматизированный цех, адаптивность.
O.V. Egorkin, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
D.A. Starov, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
MOVING ALGORITHM GENERATION FOR MOBILE ROBOT SERVING FLEXIBLE AUTOMATED
WORKSHOPS
Abstract. This article is devoted to the cell decomposition path planning method of motion trajectory development of mobile robot serving flexible automated workshops. Adaptive mobile robot is achieved using a special algorithm of motion. The algorithm is built on the principle of split plots shop on individual cells.
Keywords: mobile robot, cell decomposition path planning, flexible automated workshop.
Планирование и навигация движения мобильного робота является основной задачей, которую необходимо решить для дальнейшего использования. Чтобы решить данную задачу, создается математическая модель мобильного робота. В нашем случае необходимо исследовать поведение движения мобильного робота в гибком автоматизированном цехе (ГАЦ); он в свою очередь делится на несколько гибких автоматизированных участков (ГАУ).
Траектория движения мобильного робота строится только на известной территории. В память бортового компьютера мобильного робота карту местности можно занести двумя способами: в сторонней программе спроектировать весь цех, а затем только эти данные заносятся в бортовой компьютер; перед тем как мобильный робот начнет функционировать самостоятельно, его сначала пускают «изучить» местность и все объекты, которые находятся в пределах промышленного цеха. В первом случае основным недостатком является большая вероятность совершения ошибки измерения или проектирования параметров местности и объектов, находящихся на ней. Во втором случае робот может недостаточно подробно изучить все участки цеха. Также бывают «узкие» места, которые может принять за ограничение и в дальнейшем программа не позволяет повторно изучить данный участок. Следует отметить, что первый способ является более предпочтительным на данный момент: тактильные датчики мобильного робота могут компенсировать погрешность измерения и в процессе функционирования вносить корректировки в алгоритм управления и навигации. Также в ранее созданную планировку цеха можно легко внести исправления в случае переоборудования цеха или каких-либо отдельных участков, при этом новую планировку по радиосвязи можно быстро передать на бортовой ком-
пьютер мобильного робота, т.е. без отрыва от его прямых обязанностей на производстве. На рисунке 1 изображен мобильный робот, предназначенный для функционирования в лабораторных условиях, моделирующих ГАЦ. На платформу 1 устанавливается бортовой вычислительный компьютер 2, который самостоятельно создает алгоритм управления. Для точного определения местоположения мобильный робот имеет гироскоп 3, который передает координаты местоположения. Гироскоп 3 устанавливается в центре масс мобильного робота. Колеса 4 и 5 являются приводными, а колесо 6 свободно вращается вокруг своей оси. В движение колеса 4 и 5 приводятся двумя электродвигателями 7 и 8. Источником питания 9 всего мобильного робота являются четыре щелочные батарейки типа АА (это минимальное и достаточное количество, необходимое для функционирования всех электронных компонентов; больший объем заряда позволит увеличить время автономной работы, но увеличит нагрузку на платформу 1).
/ V 2 3 % 4 7 в 5 5
Рисунок 1 - Устройство мобильного робота: 1 - платформа; 2 - бортовой вычислительный компьютер; 3 - гироскоп; 4 ,5 - первое и второе колесо соответственно; 6 - свободно вращающиеся третье колесо; 7 ,8 - электродвигатели первого и второго колеса соответственно; 9 - источник питания; 10 - ультразвуковой датчик расстояния; 11 - сервопривод; 12, 13, 14, 15 - инфракрасные датчики света
На пути движения мобильного робота могут возникнуть препятствия (например, из-за выпадения груза из кузова мобильного робота во время перевозки), поэтому для предотвращения столкновения с каким-либо объектом устанавливается ультразвуковой датчик расстояния 10. Однако ультразвуковой датчик имеет один существенный недостаток - эффективный угол распространения ультразвука составляет 15°. Таким образом, ультразвуковой датчик не может самостоятельно полностью исследовать пространство впереди себя. Данную проблему легко решить, если установить ультразвуковой датчик расстояния на сервопривод 11, способный поворачиваться на необходимый угол (в данном случае необходимый он составляет 150°, как показано на рисунке 2).
180°
Рисунок 2 - Схема работы ультразвукового датчика на сервоприводе: 10 - ультразвуковой датчик; 11 - сервопривод
Как было указано выше, в бортовой компьютер мобильного робота предварительно за-
носится карта ГАЦ. ГАЦ представляет собой огромную площадь, разделенную на несколько ГАУ. Каждая ГАУ отделяется от соседних участков яркой полосой краски на полу. Краску при определённых усилиях можно стереть и нанести вновь, что позволяет легко переоборудовать цех в зависимости от технического задания. Распознавание границы участка мобильным роботом осуществляется с помощью инфракрасных датчиков света 12, 13, 14 и 15, которые установлены на крайних точках по периметру платформы 1. Данная компоновка расположения инфракрасных датчиков позволяет предотвратить выход робота за границы участка (на рисунке 3 схематично толстой линей показана граница ГАЦ).
На рисунке 3 изображен ГАЦ, состоящий из двух ГАУ (ГАУ1 и ГАУ2), автоматического склада и комнаты для обслуживания мобильного робота. В комнате обслуживания мобильного робота происходит подзарядка аккумуляторной батареи, в случае необходимости - ремонт, а также находятся другие мобильные роботы, необходимые в случае выхода из строя первого оперативно заменить его место. На автоматизированном складе робот получает заготовку, которую необходимо доставить на гибкий производственный модуль (ГПМ). В ГПМ входит один металлообрабатывающий станок, перегрузочный стол и робот-манипулятор. ГАУ1 предназначается для обработки детали А, а ГАУ2 - деталь Б. Чтобы понять процесс ориентации и навигации мобильного робота, рассмотрим ГАУ 1 поподробней (рис. 4).
Комната для обслухибани
Склад деталей и заготобок
Л
1 1 1 1 ч * (1 ( ГАУ 1 4 4 4 44 4 » 1 1 ГАУ2
Рисунок 3 - Гибкий автоматизированный цех ГАЦ
ГАУ1 и ГАУ2 имеют свою систему координат, для ГАУ1 это Х1У1. Для создания алгоритма передвижения, ГАУ1 делится на несколько элементарных ячеек. Такой способ программирования движения называется «точное разложение по ячейкам» [1]. Граница ячеек проходит по геометрическим крайним точкам станка и зоны работы манипулятора. Это создает разбиение участка на ячейки, которые в определенный момент времени будут либо свободны либо заняты для перемещения в них мобильного робота. Основное назначение данной абстракции заключается в том, что настоящее положение робота в пределах каждой ячейки свободного места не имеет значения; важно то, что робот способен перемещаться из любой свободной ячейки в любую смежную.
Алгоритм перемещения мобильного робота представлен на рисунке 5. Все ячейки классифицируются следующим образом:
- 1, 6, 15, 16, 21, 42, 43 - промежуточные ячейки, позволяющие перемещаться между группами станков с наибольшей скоростью;
- 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 13, 14, 17, 18, 20, 22, 23, 25, 27, 29, 30, 31, 33, 34, 35, 37, 38, 39, 41
- пристаночные ячейки;
- 3, 9, 13, 19, 24, 28, 32, 36, 40 - ячейки нахождения манипулятора для обслуживания металлорежущих станков.
Рисунок 4 - ГАУ1: 1 - мобильный робот; 2 - токарный станок; 3 - робот манипулятор; 4 - многоцелевой станок; 5 - шлифовальный станок
Рисунок 5 - Общий вид алгоритма траектории движения робота на ГАУ1
Например, мобильному роботу необходимо доставить заготовку со склада на станок, манипулятор которого находится в ячейке 32. Проектируется траектория перемещения в бортовом вычислительном компьютере мобильного робота по алгоритму, показанному на рисунке 6 (на рисунке выбранный алгоритм выделен двойной линией).
Траектория движения на других ГАУ строится подобным образом. Предполагается, что разбиение участка цеха на элементарные ячейки выполняется самостоятельно бортовым вычислительным компьютером, т.е. достаточно занести карту местности в память мобильного робота.
Во время выполнения технического задания (доставка заготовок или готовых деталей) может возникнуть ситуация, как было упомянуто выше, что на пути следования мобильного робота возникает препятствие, мешающее выполнить последующие шаги алгоритма. В этом случае робот анализирует ситуацию и с учетом всех входящих данных он самостоятельно корректирует маршрут. Для полного представления о последовательности работы вычислительной системы мобильного робота, на рисунке 7 показана блок-схема функционирования навигационной и исполнительной системы.
Рисунок 6 - Алгоритм траектории движения робота со склада в 32 ячейку
Рисунок 7 - Блок схема функционирования навигационной системы
мобильного робота
Заключение
Рассмотренная компоновка мобильного робота позволяет робокару самостоятельно работать на территории ГАЦ и быть адаптивным к возмущениям окружающей среды. Адаптивность мобильного робота достигается использованием специального алгоритма движения, который строится по принципу разбиения участков цеха на отдельные ячейки. Для полного представления о работе мобильного робота приведена блок-схема функционирования навигационной системы (рис. 7). Стоит отметить, что данная система алгоритмизации навигации приемлема для двухмерного пространства, так как поверхность пола считается в этом случае идеально ровной. Для перегрузки заготовок/деталей используется робот-манипулятор, который функционирует уже в своей системе координат, независимой от системы координат мобильного робота.
Список литературы:
1. Roland Siegwart and Illah R. Nourbakhsh, Introduction to Autonomous Mobile Robots. -Massachusetts Institute of Technology, 2004. - 262 p.
2. Васильев И.А. Построение траекторий движения для колесного мобильного робота, снабженного лазерным сканирующем дальномером // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2012. - № 10.
3. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: основные типы и технические характеристики: учебное пособие. - М.: КНОРУС, 2015. - 560 с.
