Wykorzystanie rozwiązań mechatronicznych w podwoziach zrobotyzowanych

W niniejszej publikacji omówiono wybrane zagadnienia związane z wykorzystaniem urządzeń oraz systemów mechatronicznych w podwoziach zrobotyzowanych wybranych pojazdów specjalistycznych, które poruszając się w trudnym terenie wykonują zadania przewidziane dla ich bieżącego zastosowania. Podano wymagania dla takich podwozi oraz systemów jak również zaprezentowano koncepcję podwozia zrobotyzowanego dla robota mobilnego. Wyjaśniając zagadnienie autor starał się posługiwać opisem rozwiązań, zamontowanych w istniejących podwoziach zrobotyzowanych. Autor skupił się na pokazaniu takich rozwiązań mechatronicznych, które mogą nie być szerzej znane Czytelnikowi jednak funkcjonują od wielu lat. Za wszelkie uwagi dotyczące prezentowanego materiału autor publikacji będzie bardzo wdzięczny.

Wdrażanie efektywnych i nowoczesnych rozwiązań technicznych, dla których przewidziano m.in. podniesienie jakości oraz ilości w szeroko rozumianym wytwarzaniu towarów oraz realizacji usług, nie ominęło praktycznie żadnego działu gospodarki narodowej, zarówno w sferze materialnej jak i w sferze niematerialnej. Nieodłączną cechą tego procesu było również, a może nawet przede wszystkim i to, że zalety psychofizyczne człowieka, takie jak siła rąk ludzkich, percepcja wzroku, możliwość wnioskowania i analizy sytuacji, itp., zaczęto wykorzystywać wyłącznie lub prawie wyłącznie w nadzorze lub kontroli nad realizacją działania tych wdrażanych rozwiązań technicznych. Należy pamiętać, że do tej pory w wytwarzaniu towarów oraz realizacji usług rola człowieka była wyłącznie sprawcza, wysiłkowa, bardziej angażująca siłę fizyczną człowieka niż jego postrzeganie (czytaj: zmysły). Od pewnego czasu rozwiązania techniczne, które umożliwiły zmianę roli człowieka ze sprawczej (wysiłkowej) na nadzorczą zaczęto określać urządzeniami i systemami mechatronicznymi, lub ogólnie, mechatroniką. To nowe pojęcie techniczne wyjaśnia poniższa definicja:

Do tych kilku dziedzin nauki, wspomnianych w powyższej definicji, które w praktyce wchodzą w skład mechatroniki zaliczamy głownie elektromechanikę, czyli elektrotechnikę (i dziedzinę pokrewną, np. elektronikę) wraz z mechaniką (i również dziedziną pokrewną, np. wytrzymałością materiałów) oraz automatykę, czyli oprogramowanie (i dziedziną pokrewną, np. programy symulacyjne typu MATLAB) wraz ze sterowaniem (i tutaj również dziedziną pokrewną, np. teorią sterowników cyfrowych typu sterowniki PLC). Powyższe „przenikanie” się wzajemne różnych dziedzin nauki celem utworzenia nowej dziedziny – mechatroniki ilustruje rysunek 1.

Rysunek 1: Różne dziedziny nauki „tworzące” mechatronikę

Przykładowo, w dziedzinie transportu (branży bezpośrednio związanej z niniejszą publikacją) dotychczasowe sterowanie pracą koparki budowlanej (które możemy nazwać tradycyjnym), polegało na ręcznym uruchamianiu przez operatora maszyny znajdujących się w kabinie koparki dźwigni (ruchomych „gałek”), które były połączone z zaworami rozdzielającymi hydraulicznymi oraz polegało na obserwacji optycznej (niejednokrotnie dalekosiężnej) stopnia urobku łychy koparki. W obecnym zaś „wydaniu” konstrukcji koparki budowlanej spotyka się rozwiązania mechatroniczne, wykorzystujące sterowanie pracą maszyny z kabiny za pomocą tzw. joysticka oraz zastosowano obserwację urobku łychy koparki przez obserwację obrazu na monitorze LCD, do którego obraz z przestrzeni roboczej koparki przekazywany jest „na żywo”, czyli w tzw. trybie ON – Line z kamery (lub kamer) o odpowiedniej rozdzielczości, umieszczonej na wysięgniku koparki. W takim podejściu do zaprojektowania nowoczesnej maszyny budowlanej wykorzystuje się również zamiast zaworów hydraulicznych, sterowanych ręcznie dźwigniami zawory sterowane elektromagnetycznie (tzw. elektrozawory), dalej, stosuje się nowoczesną bezstykową kontrolę położenia elementów ruchomych, takich jak tłoczyska siłowników hydraulicznych oraz wykorzystuje się układy sterowania cyfrowego, oparte o zaawansowaną technikę mikroprocesorową. Realizacja powyższego, czyli nowego w zasadzie podejścia do budowy maszyny budowlanej wymaga wcześniejszego przetestowania symulacyjnego „jej konstrukcji” zanim wdroży się ją do produkcji. Kabinę nowoczesnej koparki jednonaczyniowej ilustruje rysunek 2. [Źródło: miesięcznik Kruszywo, nr 3/2017].     

Rysunek 2: Kabina mechatroniczna nowoczesnej koparki jednonaczyniowej

Na rysunku 2 widoczne są tylko niektóre cechy „mechatroniczne” nowoczesnego sterowania pracą maszyny budowlanej: m.in. joystick pobudzany przez operatora koparki prawą dłonią oraz zestaw dwóch monitorów do obserwacji przestrzeni roboczej koparki jednonaczyniowej. Nie można oprzeć się wrażeniu, że operator tej koparki nie jest w pracy, a tylko uczestniczy w grze komputerowej; to właśnie „sprawiła” mechatronika.  
W innym przykładzie, również w dziedzinie transportu, który możemy śmiało nazwać specjalistycznym, wyposażenie pojazdu do zadań specjalnych, tzw. robota inspekcyjnego w rozwiązania mechatroniczne, tj. odpowiedniej konstrukcji podwozie zrobotyzowane, np. wielofunkcyjne podwozie gąsienicowe spowodowało, że taki robot może teraz pokonywać przeszkody trudne lub niemożliwe do pokonania przez dotychczas stosowane pojazdy tego typu, ale o podwoziu kołowym. Rysunek 3 ilustruje właśnie podwozie gąsienicowe robota inspekcyjnego Inspector. [Źródło: www.piap.pl].   

Rysunek 3: Podwozie gąsienicowe robota inspekcyjnego Inspector

Na rysunku 3 widoczny jest z przodu robota dodatkowy zespół mniejszych gąsienic, który przy najeździe podwozia na przeszkodę, (w tym przypadku stopnie schodów) powoduje najpierw uniesienie całego pojazdu nad pierwszy stopień schodów, potem częściowe przesuwanie pojazdu ku przodowi i następnie opuszczenie podwozia na stopień. Gąsienice główne, które w tym momencie znalazły się na tym pierwszym stopniu uzyskują trwały kontakt z podłożem i przesuwają pojazd po stopniach schodów przemieszczając go dla realizacji „powierzonego” mu zadania. (Na rysunku 3 uwidoczniono drugą fazę ruchu pojazdu po schodach).
Zaprezentowane na rysunkach 2 i 3 rozwiązania mechatroniczne w różnych dwóch typach pojazdów zrobotyzowanych pokazują, że można dokonać podziału tychże na dwie podstawowe grupy funkcjonalne:
1.    środki transportu, w których zastosowane rozwiązania mechatroniczne pozwoliły na zastąpienie dotychczas stosowanych koncepcji na rzecz takich, które zwiększyły wydajność w realizacji zadań, nałożonych na takie pojazdy, biorąc pod uwagę ich specyfikę pracy jednocześnie poprawiając komfort obsługi przez operatora (kierowcę) takiego pojazdu;
2.    środki transportu, w których zastosowane rozwiązania mechatroniczne pozwoliły na zastąpienie lub unowocześnienie dotychczas stosowanych koncepcji na rzecz takich, które zwiększyły mobilność podwozi zrobotyzowanych w celu realizacji zadań, które dotychczas nie mogły być zrealizowane lub ich realizacja była zazwyczaj utrudniona.
W związku z wypełnieniem postawionego sobie niniejszą publikacją zadania, czyli zilustrowania Czytelnikowi urządzeń i systemów mechatronicznych w podwoziach zrobotyzowanych w dziedzinie transportu specjalistycznego autor publikacji podzielił ją na cztery moduły:

• Podwozia zrobotyzowane w pojazdach cywilnych oraz wojskowych – w module tym autor dokonał przeglądu wybranych rozwiązań podwozi zrobotyzowanych, które występują zarówno w pojazdach załogowych jak i bezzałogowych cywilnych oraz wojskowych. Wskazano na ich użyteczne parametry techniczne. Ponieważ z czasem wystąpiło w pewnym sensie ujednolicenie niektórych rozwiązań mechatronicznych w podwoziach do zastosowań cywilnych oraz wojskowych, autor niniejszej publikacji zrezygnował z rozgraniczenia omawianych rozwiązań na cywilne oraz wojskowe. (Takie podejście obowiązuje w całej publikacji, chyba, że to wyraźnie zaznaczono).  
• Urządzenia oraz systemy mechatroniczne w podwoziach zrobotyzowanych - w module tym autor zilustrował urządzenia oraz systemy mechatroniczne, które znajdując zastosowanie w podwoziach mobilnych uczyniły z nich podwozia zrobotyzowane w pojazdach załogowych jak i bezzałogowych.
• Wymagania dla systemów mechatronicznych w podwoziu zrobotyzowanym - w module tym autor wskazał na typowe wymagania, które powinny spełnić nowe konstrukcje podwozi zrobotyzowanych posiłkując się wymaganiami obowiązującymi dla pojazdów wojskowych.
• Koncepcja podwozia dla pojazdu mobilnego bezzałogowego – w module tym autor zaproponował własną koncepcję podwozia zrobotyzowanego dla robota mobilnego bezzałogowego wraz z propozycją testu terenowego potwierdzającego zwiększenie mobilności takiego podwozia koncepcyjnego.

Autor niniejszej publikacji zaznacza, że powstała ona w 2020 roku w ramach programu NERW OKNO Politechniki Warszawskiej. Poza treścią napisaną w czterech modułach przygotowano, dobrano i opracowano materiały multimedialne, które będą również dostępne dla Czytelnika. Autor publikacji przygotował również pytania kontrolne oraz testy sprawdzające dla każdego z czterech modułów, które powinny posłużyć Czytelnikowi do sprawdzenia we własnym zakresie zrozumiałości zilustrowanego w każdym module materiału. 
Na zakończenie przedmowy autor podkreśli, że odbiorcami niniejszej publikacji mogą być Czytelnicy, zajmujący się projektowaniem podwozi zrobotyzowanych oraz aplikacji tamże systemów mechatronicznych. Niniejsza publikacja będzie również przydatna dla studentów wydziałów elektrycznych, informatycznych, mechatronicznych, itp., różnych uczelni technicznych, czyli wszędzie tam, gdzie występuje kształcenie studentów na kierunku Mechatronika lub w specjalnościach pokrewnych mechatronice i robotyce.
Za wszelkie uwagi dotyczące prezentowanego materiału autor będzie bardzo wdzięczny. Czytelnicy mogą je kierować drogą elektroniczną na adres e-mail: zbigniew.seta@pw.edu.pl. 

Materiały dodatkowe do bloku