Совершенствование конструкций динамически стабилизируемых робототехнических систем на основе сферического колеса

Вопросы, связанные с созданием мобильных роботов неизменно привлекают внимание исследователей и ученых в силу своей актуальности [1,2]. Многоколесные робототехнические системы являются статически стабилизируемыми, но обладают существенными недостатками: для устойчивого положения таких роботов требуется низкое расположение центра тяжести, достаточно большая площадь опорной проекции. Движение таких роботов в заданном направлении требует их предварительной ориентации. При опрокидывании таких роботов система практически теряет свою работоспособность.

Для устранения этих недостатков в последнее время разработаны конструкции мобильных роботов лишь с одним сферическим колесом. Схема одной из таких конструкций [3] представлена на рис. 1. Тело робота представляет собой цилиндр высотой 1,5 м и диаметром 400 мм. Вес цилиндра составляет 45 кг. Цилиндр установлен на сферическом вращающемся колесе.

Конструкция разработана так, чтобы робот был быть полностью автономным. Питание обеспечивается 48 вольтовым свинцово-кислотным аккумулятором, который обеспечивает работоспособность конструкции в течение нескольких часов. Вычислительные операции производятся бортовым компьютером Pentium 200. Управление роботом осуществляется с помощью беспроводной связи. Инерционные датчики посылают сигнал через гироскопические усилители на приводные двигатели, которые с помощью фрикционной трансмиссии вращают сферическое колесо.

Фрикционная трансмиссия изображена на рис. 2 и содержит серводвигатели 1, натяжное устройство 2, приводной ремень 3, приводные ролики 4, выполненные из нержавеющей стали, оси которых расположены по экватору сферического колеса, подпружиненные ведомые ролики 5, датчики ведомых роликов 6, датчики моторов 7, поддерживающие роликовые опоры 8 и само сферическое колесо 9.

Рис.1. Конструкция и практическая реализация робота с одним сферическим колесом: (а) с тремя развернутыми опорами; (b) в положении со сложенными опорами; (с) в рабочем положении динамического баланса

Рис. 2 Фрикционный привод робота

Такая конструкция фрикционного привода является громоздкой, так как включает в себя четыре ролика (два ведущих и два ведомых) и три роликовые опоры, причем ролики должны быть подпружинены для обеспечения надежного фрикционного контакта, что требует дополнительных подпружинивающих устройств.

В данной работе предлагается новая конструкция фрикционного привода, позволяющая значительно упростить конструкцию робота, снизить его материалоемкость и габариты. Предложение заключается в том, чтобы использовать в приводе сферического колеса только три ролика, но расположить их по сторонам равностороннего треугольника, причем диаметр вписанной в этот треугольник окружности должен быть несколько меньше (примерно на 5-10%) диаметра сферического колеса.

На рис. 3 изображена схема предложенного привода. Здесь 1 ─ цилиндрическое тело робота, 2 ─ приводные ролики, 3 ─ сферическое колесо.

Рис. 3. Схема предложенного фрикционного привода

Такая конструкция позволит установить цилиндрическое тело робота непосредственно на сферическое колесо. При этом роль поддерживающих роликовых опор будут выполнять приводные ролики. Контакт сферического колеса с приводными роликами в трех точках гарантирует прижатие каждого из этих роликов под действием веса цилиндрического тела робота к поверхности сферического колеса, обеспечивая надежный фрикционный контакт приводных роликов и колеса. Отпадает необходимость пружинных прижимных устройств. Все это позволяет значительно снизить материалоемкость робота, его габариты.

Расположение приводных роликов по сторонам равностороннего треугольника, а не в перпендикулярных плоскостях, как в существующих конструкциях, не ухудшает стабилизирующих свойств конструкции, так как для образования базиса условие ортогональности векторов не является необходимым. В предложенном варианте конструкции фрикционного привода робота векторы, направленные по осям приводных роликов, не коллинеарные, следовательно, они образуют базис в соответствующем линейном пространстве.

Литература:

1. H. G. Nguyen, J. Morrell, K. Mullens, A. Burmeister, S. Miles, N. Farrington, K. Thomas, and D. Gage. Segway robotic mobility platform. In SPIE Proc. 5609: Mobile Robots XVII, Philadelphia, PA, October 2004.

2. T. B. Lauwers, G. A. Kantor, and R. L. Hollis. A dynamically stable single-heeled mobile robot with inverse mouse-ball drive. In Proc.Int’l. Conf. on Robotics and Automation, Orlando, FL, May 15-19, 2006.

3. Tom Lauwers, George Kantor, and Ralph Hollis. One is enough! In Proc. Int’l. Symp. for Robotics Research, San Francisco, October 12-15, 2005. Int’l. Foundation for Robotics Research.