Podręcznik

1. Pojęcie podwozia zrobotyzowanego

Potrzeba realizacji przez pojazdy cywilne oraz wojskowe coraz to bardziej wyszukanych zadań, do których możemy zaliczyć m.in. pokonywanie trudnego terenu czy skuteczne poruszanie się pojazdu tamże, narzuciła na producentów podwozi opracowanie i wdrożenie do produkcji takich ich rozwiązań, aby gwarantowały znaczne zwiększenie parametrów terenowych podwozi, zarówno dla pojazdów załogowych jak i bezzałogowych.

[Pojazd bezzałogowy – pojazd, którego konstrukcja nie przewiduje obecności w nim człowieka do poruszania się pojazdu w przewidzianym dla niego terenie.]

Poprawa parametrów terenowych podwozi pojazdów załogowych oraz bezzałogowych była możliwa dzięki zastosowaniu tamże odpowiednich rozwiązań mechatronicznych oraz wykorzystania inteligentnego sterowania ich podzespołami. Niejednokrotnie wykorzystanie mechatroniki w takich podwoziach spowodowało częściowe lub całkowite wyeliminowanie człowieka ze sterowania ruchem takiego pojazdu w terenie, czyniąc z takiego podwozia tzw. podwozie zrobotyzowane.

[Podwozie zrobotyzowane – konstrukcja podwozia pojazdu załogowego lub bezzałogowego, w którym wykorzystano rozwiązania mechatroniczne w sterowaniu tym pojazdem dla częściowego lub całkowitego zastąpienia pracy ludzkiej w realizacji poruszania się i realizacji zadań pojazdu w jego środowisku pracy.]

Przykładowo, podwozie pokazanego wcześniej robota inspekcyjnego Inspector możemy z powodzeniem zaliczyć do podwozia zrobotyzowanego, zaś typ takiego, które zilustrowano na poniższym rysunku już nie.

Rysunek 4: Czterokołowe podwozie z możliwością posadowienia urządzeń mechatronicznych

Powyższa uwaga jest słuszna pomimo bezspornego faktu, iż, co widać na rysunku 4, podwozie to, posiadając płaską powierzchnię zabudowy umożliwiałoby w miarę dogodne posadowienie na tejże odpowiednich urządzeń mechatronicznych, czyniąc z takiego rozwiązania „jakiegoś” użytecznego robota mobilnego. Jednak o braku „zrobotyzowania” podwozia z rysunku 4 zdecydowanie zaświadcza to, że widoczne tam cztery koła o małej średnicy nie są w żaden sposób napędzane, np. silnikiem elektrycznym lub innym, dalej, nie widać w tym przykładowym podwoziu żadnego rozwiązania, które mogłoby wskazywać na możliwość celowego (zamierzonego) sterowania np. skrętem kół tego podwozia; ww. cechy są konieczne przy poruszaniu się takiego robota w terenie. Wydaje się, że jedynym sposobem sterowania ruchem podwozia z rysunku 4 (w przypadku zamontowania na nim urządzeń mechatronicznych), byłoby przykładanie do konstrukcji podwozia siły rąk ludzkich, zaś docelowym terenem ruchu dla tego podwozia powinna być powierzchnia płaska, np. podłoga hali produkcyjnej czy innego pomieszczenia.
Reasumując, do podwozia zrobotyzowanego (pojazdu załogowego lub bezzałogowego) zaliczyć możemy tylko taki rodzaj jego konstrukcji, która napotkawszy na drodze ruchu przeszkodę terenową zanalizuje jej kształt, wymiary, itp., oraz dalej, dokonując niezbędnych obliczeń numerycznych, najlepiej w czasie rzeczywistym, dopasuje swoje parametry jezdne do tego pokonywanego przez podwozie terenu.
Należy zaznaczyć, że zmiana parametrów podwozia zrobotyzowanego może być zainicjowana zdalnie przez operatora, który sprawuje bieżącą kontrolę nad pojazdem i który przeszkody terenowe zaobserwuje, np. za pomocą zamocowanej na pojeździe kamery. Zmiana tych parametrów może również dokonywać się autonomicznie na skutek zadziałania odpowiednich czujników pokładowych, które na bieżąco prześlą swoje dane do układu sterowania tym pojazdem. Przykładem podwozia zrobotyzowanego dla pojazdu bezzałogowego jest to, które zostało wykorzystane w robocie mobilnym Ibis. Cechy tego podwozia ilustruje rysunek 5. [Źródło: www.asimo.pl/image/galerie/ibis/ibis_6.jpg].

Rysunek 5: Robot mobilny Ibis

Widoczny na rysunku 5 najazd koła pierwszej osi podwozia robota Ibis na przeszkodę (tutaj kamień o dużych gabarytach) powoduje zamiast uniesienia lewego boku całego podwozia (co miałoby miejsce przy standardowej konstrukcji ramowej podwozia i w konsekwencji doprowadziłoby do utraty przyczepności z podłożem kół środkowej widocznej na rysunku osi) wywołanie tylko skrętu osiowego pierwszej osi podwozia (i uniesienie lewego jej koła), co odbywa się przy dalszym utrzymaniu kontaktu z podłożem kół pozostałych osi podwozia robota (co widać na rysunku). Ponieważ wszystkie koła tego podwozia zrobotyzowanego są nieustannie napędzane, to robot Ibis przemieszcza się zgodnie z przyjętym dla niego celem ruchu nawet przy wystąpieniu na drodze jego ruchu dużych przeszkód terenowych.
Pokazane na rysunkach 3 i 5 wybrane cechy techniczne dwóch podwozi zrobotyzowanych „zarezerwowane” są z reguły dla pojazdów bezzałogowych, dla których zadania odnośnie przemieszczania się w trudnym terenie, pokonywania miejsc trudnodostępnych, itp. mogą być odmienne niż dla pojazdów załogowych, znacznie większych gabarytowo oraz kontrolowanych na bieżąco przez operatora (kierowcę) pojazdu, który przenosi (przewozi) na swoim pokładzie nie tylko skomplikowane urządzenia mechatroniczne, ale również i personel obsługujący te urządzenia. W przypadku pojazdów bezzałogowych rozwiązania mechatroniczne, które mają zastosowanie w ich podwoziach powinny niejako zrównoważyć zdolności do pokonywania trudnego terenu przez pojazd załogowy, co jest osiągane dzięki działaniom operatora, który po odpowiednim przeszkoleniu jest zdolny wykorzystać w pełni możliwości swojego pojazdu. Pojazd bezzałogowy nie posiada takiej „szansy”.
Należy zaznaczyć, że rodzaje systemów mechatronicznych, które zamontowane są na podwoziu zrobotyzowanym zależą przede wszystkim od budowy i przeznaczenia pojazdu mobilnego, dla którego dane podwozie jest opracowane. Bez względu jednak na powyższe każdy pojazd rozumiany jako mobilny powinien posiadać m.in. napęd dla podwozia zrobotyzowanego, system oczujnikowania dla orientacji przestrzennej robota, elementy lub urządzenia wykonawcze, pełniące przewidziane dla nich funkcje, układ sterowania „spinający” całość urządzeń oraz moduł komunikacji przewodowej lub bezprzewodowej do odbierania „poleceń” dla pojazdu, które pochodzą od operatora.
Rysunek 6 pokazuje rozmieszczenie różnych elementów infrastruktury mechatronicznej robota mobilnego typu Line Follower. [Źródło: http://www.imipkm.pcz.pl/wp-content/uploads/2015/03/Projekt-robota-mobilnego-typu-Line-Follower.pdf]. Widoczne na rysunku i oznaczone cyfrowo podzespoły są następujące:
1. rama (podwozie) - płytka drukowana; odpowiada za rozmieszczenie przestrzenne wszystkich komponentów oraz ich podłączenie;
2. mikrokontroler jednoukładowy; posiada on 23 linie wejścia lub wyjścia, 8 kanałów 10-cio bitowego przetwornika A/C oraz 6 kanałów wyjściowych dla sygnałów modulowanych szerokością impulsu. Mikrokontroler ten wyposażony jest również w 2 liczniki 8-mio bitowe oraz jeden 16-to bitowy. Mikrokontroler odpowiada za analizę sygnałów z czujników zbliżeniowych oraz generowanie sygnału sterującego dla silników napędowych kół;

Rysunek 6: Infrastruktura mechatroniczna robota mobilnego typu Line Follower

3.   silnik elektryczny napędowy firmy Pololu (dwie sztuki), z wbudowaną przekładnią o przełożeniu 30:1, charakteryzujący się niewielkimi wymiarami, niską masą własną (10 g) oraz odpowiednim momentem obrotowym, który wynosi 0,03 Nm;
4.   koło firmy Solarbotics (dwie sztuki), które bezpośrednio współpracuje z silnikiem napędowym i jest wykonane ze specjalnej miękkiej mieszanki gumy, która zapewnia bardzo dobrą przyczepność koła do podłoża podczas ruchu robota;
5.   podpora kulowa, która stanowi trzeci punkt podparcia podwozia robota (oprócz dwóch kół). Podpora kulowa charakteryzuje się niewielkimi oporami tarcia, a dzięki niej można także odpowiednio ustawić prześwit podwozia robota;
6.   akumulator litowo-polimerowy o napięciu 7,4 V i pojemności rzędu 900 mAh dla zasilania urządzeń robota;
7.   czujnik odbiciowych typu KTIR0711S (siedem sztuk), którego zadaniem jest bieżące sprawdzanie czy robot znajduje się na wyznaczonej trasie. W przypadku rozróżniania barwy czarnej od białej, zasięg czujnika może sięgać kilkudziesięciu milimetrów;
8.   komparator analogowy LM339 (trzy sztuki), obsługujący czujniki odbiciowe. Komparator służy do porównywania wartości sygnału, generowanego przez czujnik odbiciowy z zadanym napięciem progowym, podając na wyjściu czujnika wartość zero-jedynkową, czyli „0” lub „1”. Sygnał ten jest interpretowany przez mikrokontroler, który generuje sygnały sterujące dla dwóch silników napędowych;
9.   stabilizator napięcia LM7085, którego zadaniem jest utrzymanie stałej wartości napięcia niezależnie od obciążenia układu robota oraz wahań źródła zasilania;
10.   radiator dla odprowadzania ciepła ze stabilizatora napięcia;
11.   dwukanałowy mostek L298N, który zapewnia sterowanie silnikami prądu stałego poprzez zadawanie prędkości oraz kierunku obrotów silnika napędowego;
12.   moduł radiowy, który umożliwia komunikację z operatorem robota (np. zdalnym pulpitem sterującym, który przekazuje instrukcje drogą radiową);
13.   wentylator ssawny, wymuszający przepływ powietrza z kierunku podłoża pod robotem w kierunku ku górze dla wymuszenia podciśnienia;
14.   dysza ssawna, dzięki której wytworzone przez wentylator ssawny podciśnienie przyciąga w określonym celu podwozie do podłoża.
Pomimo faktu, iż w koncepcji robota mobilnego z rysunku 6 nie widać rozwiązania dla kół skrętnych, to nietrudno sobie wyobrazić sposób, w jaki jest realizowany skręt podwozia robota mobilnego podczas jego ruchu po podłożu: poprzez niezależne sterowanie prędkościami obu silników napędowych. Nietrudno też nie zauważyć, że robot mobilny z rysunku 6 jest rozwiązaniem na poziomie raczej akademickim niż praktycznym, jednak pokazuje obowiązujące podejście projektantów podwozi zrobotyzowanych dla robotów mobilnych.