Mobilní robotický systém Orpheus

Robotický systém sestává ze dvou základních částí – mobilního robotu samotného a vzdáleného řídicího či operátorského stanoviště. Řízení robotu je prováděno operátorem v reálném čase, a to pomocí tzv. teleprezenčních vizuálních technik. Datový přenos je obousměrný a bezdrátový. Systém je vyvíjen od února 2003, svou současnou podobu tedy získal přibližně za pět měsíců intenzivního vývoje.

Popis robotu

Vlastní tělo robotu má tvar kvádru o rozměrech 430 x 540 x 112 mm (š x v x h), na něj jsou připevněna čtyři shodná kola o průměru 410 mm. Pro speciální mise, kde je požadována menší výška robotu, je možno použít kola menšího průměru. Celkové maximální rozměry robotu jsou: 550 x 830 x 410 mm. Hmotnost zařízení je přibližně 20 kg. Pro pohon robotu jsou použity dva stejnosměrné 24V motory s integrovanou keramickou planetovou převodovkou a magnetickým inkrementálním enkodérem. Dvě kola na každé straně robotu jsou spojena ozubeným řemenem a otáčejí se tedy vždy stejným směrem a stejnou rychlostí. Chování podvozku je velmi podobné chování podvozku pásového se všemi jeho výhodami i nevýhodami. Hlavní výhodou je jednoduchost a robustnost podvozku. Výhodná je rovněž značná průchodivost terénem a vysoká stoupavost podvozku. Nevýhodou je pak zvýšená energetická spořeba při zatáčení a nutnost dimenzovat všechny prvky pohonného systému na vyšší hodnoty. Pro robotické aplikace lze za velkou nevýhodu považovat také zatáčení podvozku smykem a tím obtížnou a nepřesnou sebelokalizaci či navigaci robotu v prostoru z dat o pohybu jednotlivých kol (diferenciální odometrie). Napájení robotu je zajištěno dvěma olověnými gelovými akumulátory 12 V/12 Ah. Akumulátory vydrží přibližně hodinu nepřetržitého provozu v těžkém terénu a je možné je vyměnit během pěti minut. V případě potřeby nižší hmotnosti je možno použít lehčí akumulátory s nižší kapacitou.

Kamerový systém

Robot je vybaven třemi kamerami (viz obr. 1). Přední a zadní kamera je kompaktně spojena s tělem robotu. Tyto kamery jsou černobílé a velmi citlivé, přičemž přední kamera má infračervené přisvícení pro případ úplné tmy. Kamery jsou pohyblivé v jedné ose v rozsahu 180° a mohou tedy být nasměrovány i přímo dolů nebo vzhůru, což je výhodné např. pro průzkum otvorů v zemi či podvozků vozidel (výbušniny apod.). Vrchní kamera je velmi kvalitní barevná kamera s vysokým rozlišením a může se pohybovat ve dvou stupních volnosti. Rozsahy i rychlosti pohybu hlavní kamery jsou srovnatelné s pohyby lidské hlavy, což je výhodné pro vizuální teleprezenci, viz níže. Vzhledem k výšce, ve které je kamera umístěna, vzniká poměrně přirozený zrakový vjem a díky její pohyblivosti je možno stroj dobře ovládat i v těsných a složitých prostorách.

Robot může pracovat kromě kamer i s dalšími senzory. V současné době je to především senzor pro dálkové měření teploty. Jde o velmi přesný a citlivý průmyslový senzor pracující na principu vyhodnocování infračerveného vyzařování objektů. Tento senzor je například možno s úspěchem použít pro identifikaci stavu potenciálních obětí v případě neštěstí, protože člověk, který vykazuje zvýšenou teplotu vůči chladnému prostředí, má s velkou pravděpodobností zachovány základní životní funkce. Pro usnadnění orientace operátora může být robot také vybaven miniaturním gyroskopem vyrobeným technologií MEMS. Robot rovněž měří napětí baterií a je schopen předat operátorovi informace o svém stavu. Do budoucna se počítá s vybavením systému dalšími inerciálními senzory (gyroskopy a akcelerometry), laserovými příp. LED skenery pro mapování prostředí a GPS přijímačem. Všechny tyto senzory již byly na našem pracovišti testovány, příp. nasazeny na starším robotickém systému U.T.A.R.

Řízení robotu, dekódování přijatých zpráv, zobrazování údajů a bezpečnostní funkce obstarává základní mikroprocesorová deska (viz obr. 2). Deska obsahuje čtyři jednočipové procesory rodiny Atmel AVR a Atmel Mega AVR. První procesor obstarává komunikaci hlavního procesoru s bezdrátovým datamodemem ELPRO. Procesor kontroluje správnost přijatých zpráv, provádí jejich transformaci pro vnitřní sběrnici a vytváří rovněž statistiku správně přijatých zpráv pro identifikaci ztráty signálu. Hlavní procesor pak řídí činnost ostatních subsystémů přes obousměrnou sériovou sběrnici (systém momentálně obsahuje 8 procesorů). Pro řízení motorů byl vyvinut speciálním mikroprocesorem řízený měnič schopný trvale dodávat do jednoho motoru 30 A, špičkově až 50 A. Motory jsou řízeny v rychlostní smyčce pomocí PSD regulátorů. Regulátory obsahují filtry pro snížení mechanického namáhání motorů a převodovek náhlými rázy. Regulátory také vyhodnocují funkčnost nadřazených systémů a v případě ztráty signálu dojde k zastavení motorů. Celý robot je až na odnímatelnou senzorickou hlavici plně symetrický, což představuje velkou výhodu zejména ve velmi těžkém terénu, kde může stroj pokračovat v činnosti i po případném převrácení. Pro tento případ je veškeré vybavení robotu pevně připevněno a je rovněž otestována funkčnost převráceného robotu.

Operátorské stanoviště

Pro ovládání robotického systému Orpheus bylo vyvinuto operátorské stanoviště, jehož centrem je personální počítač třídy notebook s PCMCIA videograbberem. K počítači je dále připojeno několik vstupně/výstupních zařízení: joystick, brýle virtuální reality, senzor pro snímání pohybů hlavy operátora, rádiový přijímač videa a datamodem pro komunikaci s robotem. Joystick slouží pro ovládání pohybů celého robotu, pro přepínání jednotlivých režimů činnosti a pro konfiguraci uživatelského prostředí. V případě nutnosti je možno joystick použít jako jediný ovládací prvek pro všechny funkce robotu.

Brýle virtuální reality společně s inerciálním senzorem pro snímání pohybů hlavy operátora slouží pro intuitivní ovládání pohybů kamer a pro zobrazení vizuálních dat – tedy nejen obrazu z kamer, ale i dalších digitálních dat o stavu robotu, měřených veličinách apod. – viz obr. 3. Princip, který je zde použit, se nazývá vizuální teleprezence a zjednodušeně může být popsán následujícím způsobem: pohyby hlavy operátora jsou snímány, transformovány a bezdrátově přeneseny do robotu. Zde jsou data opět transformována a způsobí pohyb vychylovacího mechanismu kamer přibližně stejným způsobem, jakým se pohybuje hlava operátora. Obrazová data z kamer jsou bezdrátově přenesena z robotu k operátorovi, kde jsou po digitalizaci a úpravě zaslána do jeho brýlí. Výsledek je ten, že se operátor může přirozeně rozhlížet po okolí robotu a, je-li iluze dostatečná, cítí se být na místě, kde se nachází robot. Uživatelské rozhraní systému Orpheus je navrženo tak, aby bylo co nejjednodušší a intuitivní na obsluhu při zachování maximální funkčnosti. Velkou výhodu představuje kombinace vizuálních dat z kamer robotu a dalších dat ze senzorů a uživatelského rozhraní do jednoho displeje – brýlí virtuální reality.

Robocup 2003

Tříčlenný tým z Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně se ve dnech 4. – 11. 7. 2003 zúčastnil světového šampionátu robotů s názvem Robocup 2003 konaného v Italské Padově. Tým soutěžil se systémem Orpheus v robotické soutěži nazvané Rescue Robot League – tedy záchranářská liga. Cílem soutěžících je za pomocí libovolného počtu robotů prozkoumat v časovém limitu co největší prostor předem neznámých ruin stavby zřícené po zemětřesení. Uvnitř stavby je množství potenciálních obětí představovaných figurínami lidí. Figuríny mohou vykazovat několik známek života – např. zvýšená teplota, pohyb končetin, emise CO2, vydávání zvuků. Soutěžící musí vytvořit mapu prostředí, zaznačit polohu jednotlivých obětí, co nejpřesněji popsat jejich vzezření a určit jejich stav (při vědomí, bezvědomí apod.). Za každé správně určené příznaky jsou kladné body, za chybné určení jsou body odečítány. Záporné body jsou také například za nechtěný kontakt robotu s figurínou apod. Brněnskému týmu se podařilo, navzdory pozici naprostého outsidera, na soutěži zvítězit v konkurenci dalších dvanácti týmů z celého světa (např. Japonsko, USA, Německo…).

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *