Малогабаритная транспортная платформа для мобильного робота

Малогабаритная транспортная платформа для мобильного робота относится к области мобильной робототехники и предназначена для выполнения функций передвижения и транспортировки полезного груза малогабаритным мобильным роботом, функционирующим в условиях, требующих преодоления значительных препятствий (соизмеримых или больших собственных размеров), в том числе, лестничных маршей.

Малогабаритная транспортная платформа, содержит корпус, ходовую часть на основе шестигусеничного движителя изменяемой геометрии, образованного левой и правой основными гусеницами вместе с основными шкивами и направляющими, четырьмя дополнительными гусеницами вместе с дополнительными шкивами, направляющими и концевыми роликами, электромеханические приводы движения, электромеханические приводы изменения геометрии движителя. При этом гусеницы имеют грунтозацепы, дополнительные гусеницы, вместе с их направляющими и концевыми роликами установлены на рычагах, имеющих возможность вращения посредством электромеханических приводов изменения геометрии движителя, каждый из концевых роликов сблокирован (или выполнен за одно целое) с небольшим колесом, а крепления рычагов с дополнительными гусеницами и дополнительных шкивов выполнены быстросъемными

Полезная модель обеспечивает повышение показателей проходимости и улучшение эксплуатационных качеств малогабаритной транспортной платформы.

Малогабаритная транспортная платформа (МТП) относится к области мобильной робототехники и представляет собой конструктивную основу для создания мобильного робота, функционирующего в условиях, требующих преодоления значительных препятствий (соизмеримых или больших собственных размеров), в том числе, лестничных маршей. МТП предназначена для выполнения мобильным роботом функций передвижения и транспортировки полезного груза.

Известны МТП отечественных мобильных роботов сверхлегкого класса «МРК-01» и «Вездеход-ТМ3» (информация по «МРК-01»: Батанов А.Ф., Грицин С.Н., Муркин С.В. «Робототехнические комплексы для обеспечения специальных операций», журнал «Специальная техника», 6, 1999. URL: http://www.ess.ru/publications/articles/robots/robots.htm (дата обращения: 10.01.2012), также на сайте СКТБ ПР МГТУ им. Н.Э.Баумана, http://www.mobot.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=4&Itemid=5; информация по «Вездеход-ТМ3»: Маслов О.А. «Мобильные роботы для обнаружения и уничтожения ВУ», журнал «Специальная техника», 2, 2005. URL: http://www.ess.ru/publications/2_2005/maslov/maslov.htm (дата обращения: 10.01.2012), также на сайте ОАО «КЭМЗ», http://www.kemz.org/Robot_TM3.html). Данные МТП включают в себя корпус коробчатого типа, ходовую часть с шестиколесным движителем, электромеханические приводы движения. Известны МТП зарубежных мобильных роботов «EyeDrive» (фирма ODF Optronics, Израиль, информация в Интернет: URL: http://www.grouplb.com/solutions/operative_observation/eye_drive/ (дата обращения: 10.02.2012)), «Dragon Runner» (фирма QinetiQ NA, США, информация в Интернет: URL: http://www.qinetiq.com/what/capabilities/land/Documents/Dragon-Runner-SUGV.pdf (дата обращения: 10.02.2012)), «Spyrobot 4WD» (фирма Macroswiss, Швейцария, http://www.epicos.com/waroot/news/macroswisstechnicalpaper.pdf (дата обращения: 10.02.2012)), содержащие корпус, ходовую часть на основе четырехколесного или двухгусеничного движителя, электромеханические приводы движения.

Недостатками данных МТП являются: недостаточная высота преодолеваемого порогового препятствия, характеризуемая в относительных величинах коэффициентом порогового препятствия К_ПП не превышающим 0.5, равным отношению высоты преодолеваемого порогового препятствия к габаритной высоте ходовой части (для колесного движителя - это диаметр колеса), невозможность их передвижения по лестницам, невозможность возврата корпуса МТП в нормальное положение после опрокидывания (переворота).

Наиболее близким к заявляемой полезной модели аналогом является МТП мобильного робота «PackBot» (см. Васильев А.В., Полин А.В. «Мобильный робот-разведчик на базе шестигусеничного движителя с изменяемой геометрией», журнал «Научно-технические ведомости СПбГПУ», 3, 2008 или журнал «Мехатроника, автоматизация, управление», 3, 2009).

Данная МТП содержит корпус, ходовую часть на основе гусеничного движителя изменяемой геометрии, электромеханические приводы движения, не менее, чем один электромеханический привод изменения геометрии движителя. Движитель указанной МТП образован левой и правой основными гусеницами вместе с основными шкивами и направляющими, а также двумя дополнительными гусеницами вместе с дополнительными шкивами, концевыми роликами и направляющими. Гусеницы имеют грунтозацепы. При этом дополнительные гусеницы, вместе с их концевыми роликами и направляющими, установлены на двух рычагах, имеющих возможность вращения посредством электромеханического привода изменения геометрии движителя вокруг оси, совпадающей с осью установки передних основных и дополнительных шкивов. Гусеничный движитель изменяемой геометрии обеспечивает передвижение по лестницам (за счет возможности увеличения длины опорной поверхности гусениц), преодоление пороговых препятствий с К_ПП равным до 1.5, продолжение функционирования после переворота за счет возврата корпуса в нормальное положение, возможность компактной укладки МТП с целью ее транспортировки за счет поворота рычагов в пределы очертаний основных гусениц.

Недостатками данной МТП являются: недостаточно высокое значение К_ПП и недостаточная длина опорной поверхности гусениц, не позволяющие сохранить достигнутые параметры проходимости в случае снижения габаритных размеров МТП; вероятность заклинивания малогабаритного гусеничного движителя из-за попадания между его частями фрагментов деформируемого слабонесущего грунта или мелких камней (Планетоходы / под ред. А.Л.Кемурджиана. М.: Машиностроение, 1993. С.54); возможность посадки МТП на дно корпуса при передвижении через выступающие препятствия, имеющие высоту большую, чем дорожный просвет (клиренс).

Задачами полезной модели являются повышение показателей проходимости и улучшение эксплуатационных качеств малогабаритной транспортной платформы (МТП).

Это достигается тем, что предлагаемая МТП, в отличие от наиболее близкого аналога, дополнительно содержит еще два рычага, два дополнительных шкива, две дополнительные гусеницы, вместе с их направляющими и концевыми роликами, установленные на этих рычагах, с образованием шестигусеничного движителя изменяемой геометрии, а также еще не менее, чем один привод изменения геометрии движителя, обеспечивающий возможность вращения указанных рычагов вокруг оси, совпадающей с осью установки задних основных и дополнительных шкивов.

Существенными признаками, отличающими заявляемую полезную модель в ее частных формах исполнения являются: выполнение каждого из концевых роликов сблокированным (или выполненным за одно целое) с небольшим колесом, имеющим наружный диаметр больший, чем диаметр окружности, описанной вокруг крайних точек грунтозацепов; выполнение конструкций креплений рычагов с дополнительными гусеницами и дополнительных шкивов быстросъемными.

Задача повышения показателей проходимости решается за счет применения шестигусеничного движителя изменяемой геометрии. При этом достигаются следующие технические результаты. Обеспечивается преодоление пороговых препятствий с К_ПП равным до 3.0, что обуславливает возможность сокращения габаритной длины и высоты МТП по сравнению с ближайшим аналогом в 1,8-2 раза с сохранением возможности передвижения по лестнице и сравнимой в абсолютном выражении высотой преодолеваемого порогового препятствия. Данный технический эффект проиллюстрирован на фиг.4 и фиг.5. Также обеспечивается возможность передвижения через выступающие препятствия, ширина которых не превышает колеи, а высота в относительном выражении соответствует К_ПП равному до 1.8, без посадки МТП на дно корпуса. Данный технический эффект проиллюстрирован на фиг.6.

Применение шестигусеничного движителя изменяемой геометрии обеспечивает улучшение эксплуатационных качеств в части возможности изменения углового положения корпуса МТП (фиг.6, б и фиг.6, в) и возможности изменения высоты корпуса с сохранением его горизонтального положения (фиг.6, г).

Выполнение концевых роликов сблокированными (или за одно целое) с небольшими колесами обеспечивает улучшение эксплуатационных качеств в части обеспечения плавного движения корпуса при движении МТП с опорой на концевые ролики рычагов за счет исключения контакта грунтозацепов с поверхностью (фиг.7).

Выполнение конструкций креплений рычагов с дополнительными гусеницами и дополнительных шкивов быстросъемными приводит к улучшению эксплуатационных качеств за счет возможности оперативной перенастройки МТП с шестигусеничного (фиг.1 и фиг.8, а) на колесный (фиг.8, б) или на колесно-рычажный (фиг.8, в) варианты и обратно Перенастройка занимает не более 5 минут. Переход на колесный вариант целесообразен, когда по условиям проводимых работ не требуется преодоление значительных препятствий (с К_ПП выше 0.5) или предполагается функционирование МТП на слабонесущих грунтах. Колесный движитель обеспечивает повышение общего КПД ходовой части, повышение максимальной скорости движения в случае применения колес большего диаметра и повышение надежности функционирования на слабонесущих грунтах за счет снижения вероятности попадания фрагментов грунта или мелких камней между подвижными частями движителя. Использование шестигусеничного движителя изменяемой геометрии целесообразно при необходимости преодоления значительных препятствий (с К_ПП до 3.0) и для движения по лестницам. Повышение проходимости в колесном варианте достигается установкой рычагов без дополнительных гусениц (колесно-рычажный вариант, фиг.8, в). При этом достигается возможность преодоления пороговых препятствий с К_ПП равным до 2.1, что превосходит соответствующий показатель известных колесных аналогов, у которых К_ПП не превышает 0.5. Данный технический эффект проиллюстрирован на фиг.9. Таким образом, обеспечивается универсальность и адаптируемость МТП под конкретные условия функционирования.

На фиг.1 показан внешний вид МТП с шестигусеничным движителем изменяемой геометрии. На фиг.2 изображена МТП со снятой верхней частью 2 основного корпуса и снятыми спереди-слева деталями ходовой части (позиции 12, 13, 14, 17 и 18). На фиг 3. показана МТП в разрезе по стыку верхней и нижней частей основного корпуса. На фиг.4 приведена схема преодоления МТП порогового препятствия. На данной иллюстрации габаритная высота ходовой части h равна 89 мм, высота порогового препятствия Н равна 270 мм. На фиг.5 демонстрируется сохранение возможности передвижения по лестнице МТП, имеющей габаритную длину и высоту меньшую соответственно в 1,8 и 2 раза аналогичных размеров ближайшего аналога. На данной иллюстрации габаритная высота ходовой части h равна 89 мм, габаритная длина ходовой части 1 равна 390 мм, изображена лестница со ступенями стандартной конфигурации (по ГОСТ 8717.1-84), высота Н_СТ и длина L_CT ступеней 150 мм и 300 мм соответственно. На фиг.6 проиллюстрирована способность МТП преодолевать выступающие препятствия, а также возможность изменять угловое и высотное положение корпуса. На данной иллюстрации габаритная высота ходовой части h равна 89 мм, высота наибольшего из изображенных препятствий Smax равна 160 мм. На фиг.7 приведено сравнение двух конструктивных исполнений рычагов: с концевыми роликами (фиг.7, а) и с небольшими колесами (фиг.7, б), сблокированными с концевыми роликами. На фиг.8 приведен внешний вид МТП в трех вариантах конфигурации перенастраиваемой ходовой части. На фиг.9 приведена схема преодоления порогового препятствия МТП в колесно-рычажном варианте. На данной иллюстрации габаритная высота ходовой части h равна 100 мм, высота изображенного порогового препятствия Н равна 210 мм.

Малогабаритная транспортная платформа (МТП) состоит из корпуса, ходовой части, электромеханических приводов движения и электромеханических приводов изменения геометрии движителя. Корпус МТП включает в себя: нижнюю 1 и верхнюю 2 части основного корпуса, два боковых корпуса 3 и четыре цилиндрических корпуса 4. Цилиндрические корпуса 4 устанавливаются в цилиндрических расточках, выполненных с четырех сторон основного корпуса.

Ходовая часть включает в себя: четыре (по два спереди и сзади) основных шкива 5, которые устанавливаются на стаканах 6, прикрепленных к фланцевым концам передних 7 и задних 8 валов, которые через подшипниковые опоры установлены в цилиндрических корпусах 4, две (левая и правая) основные гусеницы 9, верхние 10 и нижние 11 направляющие основных гусениц, закрепленные на основном корпусе, четыре дополнительных шкива 12, устанавливаемые так же на стаканах 6, четыре дополнительные гусеницы 13, четыре рычага 14, передний 15 и задний 16 валы, четыре колеса 17, четыре центральных гайки 18. Каждая из гусениц имеет грунтозацепы.

Каждый рычаг 14 имеет: механизм натяжения 19 и пару направляющих 20 дополнительной гусеницы, пару концевых роликов 21, сблокированных с небольшими колесами 22, клеммовый зажим 23, снабженный ручкой 24 с эксцентриком. Передний 15 и задний 16 валы установлены в подшипниковых опорах основного корпуса, крепление рычагов 14 на концах этих валов производится с помощью быстросъемных креплений, состоящих из клеммового зажима 23 и эксцентриковой ручки 24 с эксцентриком, путем поворота ручки примерно на 90 градусов в положение, показанное на фиг.2. Крепление основных 5 и дополнительных 12 шкивов на стаканах 6 также выполнено быстросъемным: фиксация от проворота осуществляется шпонкой 25, а осевая фиксация центральной гайкой 18, имеющей форму, удобную для хвата рукой. Колеса 17 имеют присоединительные размеры, позволяющие их установку взамен дополнительных шкивов 12. В задней части основного корпуса установлена ручка 26, обеспечивающая возможность ручной транспортировки МТП.

Электромеханические приводы движения включают в себя: две электромеханические сборки (левая 27 и правая 28), каждая из которых состоит из электродвигателя с датчиком частоты вращения и планетарного редуктора; зубчатые ременные передачи 29 и 30, две платы управления 31. Левая и правая электромеханические сборки установлены в основном корпусе и через зубчатые ременные передачи 29 и 30 кинематически связаны соответственно с левым и правым валами 7, которые через стаканы 6 соединены с передними основными 5 и дополнительными 12 шкивами ходовой части. Каждая из электромеханических сборок связана с соответствующей платой управления 31 шиной силового питания и информационным кабелем от датчика частоты вращения.

Электромеханические приводы изменения геометрии движителя включают в себя: две электромеханические сборки (передняя 32 и задняя 33), закрепленные в основном корпусе, каждая из которых состоит из электродвигателя с датчиком частоты вращения и планетарного редуктора; зубчатые передачи 34 и 35, два датчика 36 углового положения, две платы управления 37. Зубчатые передачи 34 и 35 обеспечивают кинематическую связь электромеханических сборок 32 и 33 с передним 15 и задним 16 валами соответственно. Также каждый из валов через зубчатую ременную передачу 38 соединен со шкивом, угол поворота которого, соответствующий углу поворота вала, измеряется датчиком 36 углового положения, закрепленным в основном корпусе. Каждая из плат управления 37 связана шиной силового питания и информационным кабелем датчика частоты вращения с соответствующей электромеханической сборкой, также к этим платам подсоединены информационный и питающий кабели от соответствующего датчика углового положения.

Платы управления 31 и 37 закреплены в боковых корпусах 3.

Малогабаритная транспортная платформа (МТП) может функционировать в трех вариантах конфигурации: в гусеничном варианте (с шестигусеничным движителем изменяемой геометрии, фиг.8, а); в колесном варианте (с четырьмя колесами, фиг.8, б); в колесно-рычажном варианте (с четырьмя колесами и рычагами без дополнительных гусениц, фиг.8, в).

Перенастройка из гусеничного в колесный вариант осуществляется путем отсоединения (см. фиг.2) каждого из четырех рычагов 14 с дополнительными гусеницами 13, отвинчивания центральных гаек 18, снятия дополнительных шкивов 12 и установки вместо них колес 17, фиксируемых центральными гайками 18. Перенастройка из колесного варианта в колесно-рычажный производится путем установки на концах валов 15 и 16 четырех рычагов 14 без дополнительных гусениц. При этом рычаги устанавливаются стороной обратной стороне их установки в гусеничном варианте, что обеспечивается их соответствующей формой.

Электропитание МТП осуществляется либо от источника внешнего питания посредством питающего кабеля, либо от бортовой аккумуляторной батареи всего мобильного робота, устанавливаемой в нишу 39 основного корпуса. Управление функционированием МТП осуществляется оператором по кабелю от пульта управления или от персональной ЭВМ.

Каждая из электромеханических сборок (27 или 28) приводов движения через соответствующие зубчатую ременную передачу (29 или 30), вал 7 и стакан 6 приводит во вращение передние основной 5 и дополнительный 12 шкивы соответствующего борта. Передача движения от переднего основного шкива к задним основному и дополнительному шкивам осуществляется через основную гусеницу 9. Передний и задний дополнительные шкивы приводят в движение дополнительные гусеницы 13 и концевые ролики 21 соответствующих рычагов 14. Таким образом, движение всех гусениц одного борта происходит с одинаковой скоростью. Оператор осуществляет управление скоростью и направлением движения гусениц каждого из бортов.

В случае замены дополнительных шкивов 12 на колеса 17 передача вращения на них осуществляется аналогичным образом.

При движении гусениц обоих бортов с одинаковыми скоростями МТП движется по прямой. Поворот с ненулевым радиусом осуществляется уменьшением скорости движения гусениц того борта, в сторону которого осуществляется поворот. Разворот на месте производится за счет противоположного движения гусениц левого и правого бортов.

Электромеханические приводы изменения геометрии движителя через зубчатые передачи 34 и 35 приводят во вращение соответственно передний 15 и задний 16 валы с закрепленными на них рычагами. Оператор может задавать скорость и направление вращения передних и задних рычагов, а также задавать их необходимое угловое положение. Угол поворота валов 15 и 16 конструктивно не ограничен, информация об их текущем угловом положении от датчиков 36 углового положения через платы управления 37 поступает на пульт управления или в управляющее ПО персональной ЭВМ, за счет чего предоставляется возможность контроля текущей конфигурации движителя МТП.

Преодоление МТП в гусеничном варианте пороговых препятствий осуществляется в соответствии с теоретически и экспериментально подтвержденной схемой, представленной на фиг.4 (К_ПП изображенного препятствия равен 3.0). Преодоление препятствия типа лестница МТП с уменьшенными в 1,8-2 раза габаритными размерами (по сравнению с ближайшим аналогом) осуществляется в соответствии с теоретически и экспериментально подтвержденной схемой, представленной на фиг.5. Преодоление выступающих препятствий, ширина которых не превышает колеи, возможно за счет изменения дорожного просвета (клиренса) МТП и осуществления движения с опорой на концевые части рычагов в соответствии с фиг.6 (К_ПП наибольшего из изображенных препятствий равен 1.8). При этом в случае выполнения концевых роликов сблокированными (или за одно целое) с небольшими колесами, имеющими наружный диаметр больший, чем диаметр окружности, описанной вокруг крайних точек грунтозацепов, как показано на фиг.7, исключается контакт грунтозацепов с поверхностью, что обеспечивает плавное движение корпуса МТП.

Преодоление МТП в колесно-рычажном варианте пороговых препятствий осуществляется в соответствии с теоретически и экспериментально подтвержденной схемой, представленной на фиг.9 (К_ПП изображенного препятствия равен 2.1).

1. Малогабаритная транспортная платформа для мобильного робота, содержащая корпус, ходовую часть на основе гусеничного движителя изменяемой геометрии, образованного левой и правой основными гусеницами вместе с основными шкивами и направляющими, двумя дополнительными гусеницами вместе с дополнительными шкивами, концевыми роликами и направляющими, при этом гусеницы имеют грунтозацепы, а дополнительные гусеницы вместе с их концевыми роликами и направляющими установлены на двух рычагах, электромеханические приводы движения, не менее чем один электромеханический привод изменения геометрии движителя, обеспечивающий возможность вращения рычагов, отличающаяся тем, что дополнительно содержит еще два рычага, два дополнительных шкива, а также две дополнительные гусеницы вместе с их направляющими и концевыми роликами, установленные на этих рычагах с образованием шестигусеничного движителя изменяемой геометрии, а также еще не менее чем один привод изменения геометрии движителя, обеспечивающий возможность вращения указанных рычагов.

2. Малогабаритная транспортная платформа по п.1, отличающаяся тем, что каждый из концевых роликов сблокирован или выполнен за одно целое с небольшим колесом.

3. Малогабаритная транспортная платформа по п.1, отличающаяся тем, что крепления рычагов с дополнительными гусеницами и дополнительных шкивов выполнены быстросъемными.

4. Малогабаритная транспортная платформа по п.1, отличающаяся тем, что каждый из концевых роликов сблокирован или выполнен за одно целое с небольшим колесом, а крепления рычагов с дополнительными гусеницами и дополнительных шкивов выполнены быстросъемными.