Мобильный робот-помощник Российский патент 2023 года по МПК B25J9/00 B25J5/00 

Изобретение относится к робототехнике и предназначено для использования в качестве помощника человека при выполнении им производственных операций различного вида, или для полного замещения человека при выполнении рутинных производственных операций, или при осуществлении производственной деятельности в опасных для жизни и здоровья человека условиях, или при выполнении тяжёлой или неприятной деятельности.

Известны конструкции автономных мобильных робототехнических систем, предназначенных для замещения человека или для оказания помощи человеку при выполнении производственных, бытовых или специальных операций и связанных с манипулированием производственными орудиями, домашней утварью, предметами домашнего обихода и бытовыми приборами и агрегатами, или вооружением и военной техникой.

Наиболее близким изобретению по конструкции и по назначению является изобретение «Мобильный робот» по заявке на изобретение № 2016125031. Оно и является прототипом изобретения.

Робот-прототип представляет собой автономный мобильный агрегат на гусеничном шасси, оснащённый видеокамерами и сенсорами различной физической природы для бесконтактного и контактного сканирования окружающего пространства, системами ориентации и позиционирования, электронным устройством управления для обработки видеопотока камер и данных сенсоров и выработки по ним управляющих команд для приводов механизмов робота.

Манипулятор/манипуляторы робота для совершения действий над объектами внешней среды и применения производственных орудий, домашней утвари, инструментов и приборов, закреплены посредством приведённых шарниров на стойке, установленной на шасси робота на двухосевом шарнире с возможностью отклонений в продольной и поперечной плоскостях. На манипуляторах робота установлены схваты для фиксирования объектов воздействия или применяемых орудий и инструментов.

Шасси робота включает кузов с установленной в нём устройством управления робота, стойкой с манипуляторами, аккумуляторами, приводами шарниров стойки и манипуляторов и соединённую с кузовом с возможностью управляемого относительного смещения несущую раму с закреплёнными на ней двумя гусеничными тележками, гусеничные ленты которых огибают сегменты кругов, а ведущие и свободные колёса гусеничных тележек установлены по концам хорд огибаемых гусеницами сегментов, а оси опорных катков гусеничных тележек расположены вдоль дугообразных кривых, концентричных огибаемым гусеницами дугам сегментов. Огибаемые гусеницами сегменты имеют дуги с радиусом, при котором центр масс робота располагается ниже центра кругов, сегменты которых огибают гусеничные ленты.

Электронное устройство управления робота вырабатывает управляющие команды для приводов робота по результатам обработки видеопотоков с видеокамер и данных сенсоров в соответствии с сигналами-указаниями, вырабатываемыми установленной на устройстве управления робота компьютерной программой выполнения миссии.

Недостатками прототипа являются, во-первых, то, что в описании структурной схемы конструкции робота не определено, каким образом обеспечена способность робота применять производственные орудия, домашнюю утварь, инструменты и приборы, и, во-вторых, не определена структура компьютерной программы, обеспечивающая управление осуществлением миссии робота.

Указанные недостатки являются существенными, поскольку способность робота фиксировать на манипуляторах производственные орудия и осуществлять ими необходимые для выполнения производственных операций кинематические действия, и определяемая структурой программы управления роботом её способность синтезировать алгоритмы управления приводами исполнительных механизмов робота определяют применимость робота для оказания помощи человеку или для его замещения.

Задачами изобретения являются обеспечение способности робота осуществлять необходимые для выполнения производственных операций кинематические действия производственными орудиями и инструментами, и обеспечение способности программы управления действиями робота синтезировать необходимые для достижения целей миссии робота алгоритмы управления приводами исполнительных механизмов.

Указанные задачи решают следующим образом.

Манипуляторы робота выполняют с антропоморфной структурной схемой. Конструкцию схватов манипуляторов выполняют антропомиметической.

Приводы и шарниры оснащают соответственными кинематике узла линейными и угловыми энкодерами, а узлы конструкции робота оснащают датчиками состояния ответственных элементов конструкций.

Антропоморфные манипуляторы робота и антропомиметические схваты манипуляторов могут быть выполнены из любых известных традиционно применяемых в робототехнике материалов и иметь любую известную конструкцию шарниров и любой известный способ их приведения, обеспечивающие все свойственные человеческой руке 14 степеней свободы, а пятипалые схваты манипуляторов, соответственно, 19 степеней свободы. В частности, твердотельные элементы конструкции манипуляторов могут быть выполнены из титана и его сплавов, а приводы шарниров могут быть выполнены на основе боуден-тросовых систем, позволяющих минимизировать массу манипулятора со схватом за счёт закрепления источников механической энергии приводов в любом удобном месте вне конструкции самого манипулятора. Сами источники механической энергии могут иметь любой известный вид и использовать любой известный способ преобразования доступной энергии в энергию движения элементов манипулятора со схватом. Наиболее применяемыми являются электромеханические устройства на основе моторредукторов.

Энкодеры и датчики состояний ответственных элементов конструкций узлов робота устанавливают любые из набора известных в робототехнике и в технической механике соответственно техническим условиям применения.

Установленную в устройстве управления роботом программу выработки управляющих команд для приводов исполнительных механизмов робота дополняют подпрограммой скользящего стратегического целеполагания и подпрограммой оперативного синтезирования и исполнения актуальных для достижения цели/целей миссии алгоритмов осуществления исполнительными органами робота кинематических действий.

Подпрограмма скользящего стратегического целеполагания непрерывно восстанавливает по потоку данных от датчиков и сенсоров и по распознанному видеопотоку от видеокамер текущее состояние динамической системы «робот - производственная среда», формирует комплексную онтологию этого состояния и сравнивает её с комплексной онтологией состояния системы «производственная среда - цель/цели миссии».

По различиям онтологий программа вырабатывает онтологию процесса преобразования онтологии текущего состояния системы «робот - производственная среда» в онтологию состояния системы «производственная среда - цель/цели миссии» и использует эту онтологию в качестве семантического ядра программы выполнения роботом актуальных кинематических действий очередного этапа процесса осуществления/достижения цели/целей миссии.

Алгоритмы программы актуальных для достижения цели/целей миссии действий робота формируются программой управления роботом на основе хранящихся в памяти устройства управления роботом модифицированных биоинспирированных алгоритмов соответственно формируемым ими онтологиям и с учётом результатов анализа проприоцептивной информации о кинестетическом и техническом состоянии конструкции и механизмов робота.

В результате использования изобретения при создании автономных мобильных роботов достигаются следующие технические результаты: обеспечивается способность робота замещать человека при выполнении производственных операций, связанных с манипулированием различными орудиями и инструментами; обеспечивается последовательное автономное выполнение действий, приводящих к достижению миссии робота.

Изобретение относится к робототехнике и предназначено для использования в качестве помощника человека при выполнении им производственных операций различного вида, или для полного замещения человека при выполнении рутинных производственных операций, или при осуществлении производственной деятельности в опасных для жизни и здоровья человека условиях, или при выполнении тяжёлой или неприятной деятельности. Мобильный робот-помощник, агрегатированный на электроприводной транспортной платформе на гусеничном шасси, содержит приводы, видеокамеры и сенсоры для бесконтактного и контактного сканирования окружающего пространства, системы ориентации и позиционирования, электронное устройство управления для обработки видеопотока камер и данных сенсоров и выработки по ним управляющих команд для приводов робота в соответствии с генерируемыми установленной на устройстве управления компьютерной программой выполнения миссий решениями, стойку с одним или более манипуляторами с эффекторами в виде схватов для манипулирования производственными орудиями, домашней утварью, предметами домашнего обихода и бытовыми приборами и агрегатами.

Мобильный робот-помощник, агрегатированный на электроприводной транспортной платформе на гусеничном шасси, содержащий приводы, видеокамеры и сенсоры для бесконтактного и контактного сканирования окружающего пространства, системы ориентации и позиционирования, электронное устройство управления для обработки видеопотока камер и данных сенсоров и выработки по ним управляющих команд для приводов робота в соответствии с генерируемыми установленной на устройстве управления компьютерной программой выполнения миссий решениями, стойку с одним или более манипуляторами с эффекторами в виде схватов для манипулирования производственными орудиями, домашней утварью, предметами домашнего обихода и бытовыми приборами и агрегатами, при этом транспортная платформа робота представляет собой кузов с установленной в нём упомянутой стойкой, размещёнными в нём электронным оборудованием робота, аккумуляторными батареями, двигателями приводов стойки и манипуляторов и соединённую с кузовом с возможностью управляемого относительного смещения несущую раму с закреплёнными на ней двумя гусеничными тележками, гусеничные ленты которых огибают сегменты кругов, ведущие и свободные колёса гусеничных тележек установлены по концам хорд сегментов, а оси опорных катков гусеничных тележек расположены вдоль дугообразных кривых, концентричных огибаемым гусеницами дугам сегментов, при этом центр масс робота расположен ниже центра кругов, сегменты которых огибают гусеничные ленты, манипуляторы робота имеют антропоморфную структурную схему, а схваты манипуляторов выполнены пятипалыми и имеют 19 степеней свободы, приводы и шарниры манипуляторов и стойки оснащены линейными и угловыми энкодерами, причем устройство управления выполнено с возможностью управления роботом с помощью программы управления, включающей подпрограмму непрерывного скользящего стратегического целеполагания в соответствии с онтологиями текущего состояния системы «робот - производственная среда» и состояния системы «производственная среда - цель/цели миссии» и подпрограмму оперативного формирования алгоритмов синтезирования программ актуальных кинематических действий из модифицированных биоинспирированных алгоритмов соответственно формируемым ими онтологиям и с учётом проприоцептивной информации о кинестетическом и техническом состоянии конструкции и механизмов робота.