Цель проекта. В настоящее время всё больший интерес представляют так называемые "нетрадиционные" робототехнические средства передвижения. Одним из вариантов таких средств является сфероробот. Эти аппараты в силу своей герметичной конструкции могут использоваться для исследования зон с неблагоприятной и даже агрессивной средой, например мест аварий, или зон интереса на других планетах. В задачах сбора информации с подобных объектов сферическая форма робота даёт ему ряд преимуществ перед другими аппаратами. В отличие от иных моделей роботов, робот-шар не имеет невозможных направлений движения (он омнимобилен), у него нет мест сопряжения узлов или частей, куда могли бы попасть загрязняющие/мешающие движению объекты, жидкости, газы из внешней среды.

             Помимо упомянутого исследования мест с неблагоприятной средой, эти роботы могут быть использованы для широкого класса других задач. Одним из вариантов применения является система "ночных стражников" для охраны периметров или внутренних участков (например, в цехах на заводах), когда роботы объезжают вверенную им территорию по сложным траекториям или в неблагоприятных погодных условиях, отслеживая и контролируя ситуацию. Имеется также вариант с использованием сферороботов в качестве "гидов" в современных инновационных технических музеях (такие предложения имеются). Подобные конструкции могут также служить наглядным примером для обучения принципам теоретической механики (такое направление развивается, в частности, в Италии). Таким образом, диапазон применения сферороботов является достаточно широким.

Проект ИМАШ РАН – это российский исследовательский проект по роботам-шарам.

 Конструкция. Роботы-шары используют различные системы приводов, наиболее интересными из них представляются те, которые используют специальные внутренние механизмы. Здесь наиболее часто используются механизмы, обеспечивающие смещение центра масс внутри робота, это системы типа маятников или системы с подвижными массами. В российском сферороботе SpheROB использован маятниковый механизм.



 Рис.1. Конструкция робота-шара SpheROB (по материалам ЗАО «Ровер»).

Конструкция SpheROB показана на рис.1. Робот-шар имеет три раздельно управляемые степени свободы, две из которых задают отклонение маятника от экваториальной плоскости шара, третья служит для поворота приводной системы шара в экваториальной плоскости. Маятник конструктивно образован системой управления робота и аккумуляторной батареей АБ.

            На рис.2 показан внешний вид SpheROB.
 

Рис.2. Сфероробот SpheROB.

            Основные технические данные шара SpheROB таковы:

• ·                                 диаметр 400 мм,
• ·                                  масса 5 кг,
• ·                                 система управления микропроцессорная 4-канальная, штатно задействованы  3 канала, один зарезервирован, система включает встраиваемый бортовой  компьютер INTEL-платформы,
• ·                                 связь с внешним консольным компьютером по WiFi-линии, возможна связь по  ИК каналу,
• ·                                 сенсоры: первая очередь – встроенные сенсоры углов и угловых скоростей  поворота приводов степеней свободы робота,  вторая очередь – сенсоры инерциальной навигации, третья очередь – система  технического зрения,
• ·                                 программное обеспечение – оригинальная управляющая система со следящими  и терминальными управляющими системами, система искусственного интеллекта  для синтеза поведения робота.

Шаробо́т (англ. Ballbot) — подвижный робот, использующий для передвижения единственное сферическое колесо (т.е. шар), и постоянно самобалансирующий на нём как в движении, так и в покое[1] [2] [3]. Благодаря единственной точке контакта с поверхностью, шаробот одинаково легко передвигается во всех направлениях, являясь чрезвычайно подвижным, манёвренным, и естественным в движениях, по сравнению с обычным наземным транспортом. Проектирование надёжных роботов с узкой колёсной базой, обладающих улучшенной манёвренностью в ограниченных, переполненных и динамичных средах (например узкие коридоры и заполненные передвигающимися людьми помещения) стало возможным благодаря наработкам в теме динамической стабильности в современной теории управления.

Содержание

• ·                                 1Общие сведения и основные свойства
• ·                                 2Применение шароботов
• ·                                 3Примечания
• ·                                 4Ссылки

Общие сведения и основные свойства

[править | править код]

Шаробот Rezero балансирующий на плоской поверхности. Характерными особенностями шаробота являются: шар, три электромотора, приводящие в движение балансировочные колёса и основной корпус, содержащий микропроцессор, блок инерциальных измерений, блок питания и батареи.

Исторически сложилось, что подвижные роботы создавались статически неподвижными, что приводило к экономии энергии при стоянии робота на месте. Обычно это достигается использованием трёх и более колёс прикреплённых к платформе. Роботы, построенные по этой модели, зачастую нестабильны при движении, что может быть компенсировано очень широкой колёсной базой и низким центром тяжести. Это сильно ограничивает применение таких роботов в обычной обстановке в присутствии людей, где не только интерфейс пользователя должен быть расположен на доступной высоте, но и подвижность робота затруднена узкими проходами, наличием большого количества препятствий, в том числе людей. Поэтому многоколёсные конструкции плохо приспособлены для работы в быстро меняющихся условиях среди двигающихся людей. Многоколёсные роботы не могут мгновенно сменить направление движения, а также не могут поворачиваться не сдвигаясь с места[4].

Шароботы решают вышеупомянутые проблемы используя для движения единственное сферическое колесо, управляемое исполнительными устройствами. Шароботы изначально неустойчивы и используют исполнительные устройства для поддержания себя в равновесии. Это также приводит к небольшим, но постоянным смещениям шаробота. Это неустойчивое, но стабильное состояние, называемое динамической стабильностью, намного более устойчиво к внешним воздействиям, например толчкам, нежели статическая стабильность. Это ещё более очевидно в высокоинерционных роботах, например с высокорасположенным центром тяжести[5].

Динамическая стабильность шаробота, в сочетании со сферическим колесом, которое уменьшает контакт с поверхностью до единственной точки, обеспечивает шароботам уникальные достоинства среди наземных транспортных средств. Шароботы всенаправлены и могут двигаться в любом направлении в любое время. Манёвренность шаробота ограничена только его динамикой, в отличие от механических ограничений, налагаемых колёсами (например невозможность движения боком). Шароботы обладают нулевым радиусом поворота[источник не указан 4849 дней] и могут изменять направление движения без отклонения. Более того, шароботы наклоняются в сторону поворота для компенсации центростремительных сил, что приводит к очень плавным и элегантным движениям, сравнимым с движениями в фигурном катании[6]. Как следствие, шароботу одинаково легко стоять на одном месте и двигаться[7].

Другой интересной особенностью является неминимально фазовое поведение шаробота. Для движения в любом направлении, шаробот должен наклониться в этом направлении для приобретения ускорения. Поэтому, для указания желаемого направления движения, шар должен быть кратковременно отклонён в противоположном направлении. По достижении заданной скорости, шаробот выпрямляется и далее двигается, сохраняя вертикальное положение. Менее очевидно что для торможения робот должен набрать дополнительную скорость, чтобы центр тяжести шара обогнал центр тяжести робота и позволил уменьшить скорость путём отклонения корпуса робота в сторону, противоположную направлению движения[6].

Применение шароботов

[править | править код]

Шароботы обладают тремя уникальными характеристиками, каждая из которых открывает им ряд практических применений. Динамическая стабильность позволяет использовать шароботы в условиях большого количества толчкообразных помех. Примерами подобных условий являются корабли и поезда, а также помещения со скоплениями людей, такие как вокзалы, музеи и другие общественные учреждения. Всенаправленность шаробота и способность быстро изменять направление движения позволяет ему быстро двигаться в помещениях коридорного типа. Высокое расположение центра тяжести позволяет удобно расположить органы управления и интерфейс пользователя. На данный момент наиболее привлекательным видится использование шароботов для информирования людей в общественных учреждениях, в качестве ежедневного помощника или бытового робота, или в качестве игрушки. Стоит заметить, что шароботы являются объектом активных исследований и области их применения на данный момент ограничены.