В предыдущей статье мы рассказали о роботизированных шахматах, в которых используются роботы с миниатюрными двигателями. В сегодняшнем материале мы поговорим о компактных программируемых роботах, использующихся в домах для развлечения, видеонаблюдения и обучения, и о системах сервоприводов, входящих в устройство таких роботов.
Робототехника – стремительно развивающаяся в последние десятилетия отрасль науки и техники. Непосредственно история развития робототехники началась в 60-х годах, когда на производстве компании General Motors начали применяться промышленные роботизированные манипуляторы от производителя Unimation. Однако первые попытки создать роботизированные системы предпринимались ещё раньше: в 1495 году Леонардо да Винчи создал первый человекоподобный механизм, способный шевелить руками и вращать головой, а в 18 веке Жак де Вокансон создал андроида, способного играть на флейте 11 мелодий, и механическую подвижную утку. И конечно, роботы и роботизированные системы сейчас применяются в основном для упрощения жизни людей: для производства товаров, для уборки дома или автоматической доставки товаров. Но, как и несколько столетий назад, иногда создаются роботы, предназначенные для развлечения.
Робот-питомец Луна (англ. Loona)
В 2023 году компания KEYi Technology (Китай) представила робота-питомца (англ. Petbot) по имени Луна (англ. Loona) – маленького робота, предназначенного для развлечения и, по утверждению производителя, для помощи по дому. Луна представляет собой небольшой (210х172х172 мм) робот с жидкокристаллическим дисплеем, на котором отражаются «эмоции» Луны, выражаемые с помощью больших мультяшных глаз. Там же расположены камеры, необходимые для распознавания лиц и местности. Всё это призвано улучшить возможности Луны по взаимодействию с внешним миром в целом и человеком в частности.
Передвигается Луна с помощью четырёх колёс, из которых только два являются ведущими: задние колёса приводятся в движение двумя сервоприводами, в состав каждого из которых входят бесколлекторный двигатель с внешним ротором, редуктор и контроллер. Максимальная скорость вращения вала сервопривода – 900 об/мин.
Кроме системы передвижения, сервоприводы есть также в теле (2 штуки) и в подвижных «ушах» (по одному в каждом), но в обоих случаях используются сборки с коллекторными двигателями. Сервоприводы в «ушах» позволяют Луне двигать ими для выражения своих «эмоций», а размещение сервоприводов на стыке «лап» и корпуса позволяет роботу поднимать свои передние ноги, подражая повадкам животных.
Таким образом, наличие 6 сервоприводов обеспечивает системе огромную мобильность. На рисунке 1 показано расположение сервоприводов внутри Луны: двух сервоприводов с коллекторными двигателями в теле и двух сервоприводов с бесколлекторными двигателями с внешним ротором в задних колёсах.
Луна обладает функцией распознавания голоса, жестов, лиц и тел, что позволяет ей выполнять команды людей и имитировать поведение домашних животных: ластиться к человеку, играть с мячиком и лазерной указкой, а также реагировать на своё окружение. Однако, встроенная камера позволяет использовать её и для удалённого наблюдения за домом: например, вы ушли и не уверены, выключили ли вы утюг. В таком случае, вы можете подключиться к Луне с помощью приложения и использовать её как управляемую камеру.
Для перемещения Луна использует лидар (англ. LiDAR – Light Detection and Ranging), позволяющий ей обнаруживать и объезжать препятствия, а также не падать с краёв поверхностей, на которых она находится.
Робот Скаут (англ. Scout)
Аналогичный робот, хоть и с несколькими другими функциями, двумя годами ранее был представлен компанией Moorebot (США). Данный робот, называемый Скаут (с англ. Scout - разведчик) уже не призван сымитировать функции домашнего животного, а предназначен для использования в качестве мобильной камеры видеонаблюдения и системы сигнализации. Он несколько меньше Луны (100х70х100 мм) и не обладает «живой» мимикой, но при этом больше предназначен для работы в автономном режиме.
Ключевое отличие в устройстве системы движения Скаута от Луны – полный привод четырех роликонесущих колес (колёса Илона, также известные как шведские колёса, англ. Mecanum wheels), что позволяет роботу передвигаться во всех направлениях без необходимости перед этим разворачиваться. В устройстве системы 4 высокоскоростных электродвигателя, по одному на каждое колесо. На рисунке ниже показано расположение основных компонентов робота Scout.
*Time-of-flight датчики и камеры позволяют сформировать «объемное» изображение, в котором вместо пикселей содержится оценка расстояния до конкретных точек наблюдения, которое оценивается за счёт измерения времени движения импульса света до объекта и обратно.
Колесо Илона
Рассмотрим подробнее конструкцию колеса Илона: это колесо, состоящее из двух дисков и свободно вращающихся роликов, установленных между ними под углом 45° к оси вращения, параллельной основной оси вращения колеса. Поскольку каждое колесо соединено со своим собственным сервоприводом, колёса могут вращаться в разных направлениях и с разной скоростью, а ролики, расположенные под углом, создают силу, направленную по диагонали, а не только вперёд или назад как, например, в гусеничных лентах. На рисунках 3 и 4 представлены 3D-модель роликонесущего колеса, а также векторы сил, создаваемых колёсами.
Соответственно, при вращении колёс под воздействием двигателей, векторы возникающих сил могут действовать в двух направлениях. Направление результирующего вектора совпадает с направлением движения робота. На рисунке ниже показаны некоторые примеры.
Использование роликонесущих колёс позволяет роботу двигаться во всех направлениях без разворота, что особенно актуально в тесных и узких местах (например, за диваном, стоящим у стены), а также разворачиваться и даже вращаться на месте вокруг своей оси. На рисунке ниже показаны схемы движения робота с указанием направления вращения колёс.
Но вернёмся к Скауту. По сравнению с Луной, данный робот обладает несколько иным функционалом. Согласно руководству по применению, он может патрулировать помещение, записывать видео и снимать фото, а также отслеживать ситуацию с использованием камер. То есть если Луна задумывалась, в первую очередь, как робот для развлечения, то со Скаутом ситуация обратная.
Однако, у них есть и общие функции, в частности, оба производителя во время своих рекламных кампаний подчеркивали возможность самостоятельного программирования роботов, используя для этого различные приложения и языки: Луна, целевой аудиторией которой являются преимущественно дети, поддерживает работу с Google Blockly, которая является визуальным языком программирования, а вот Скаутa уже можно программировать как с помощью другой визуальной среды – Scratch, так и используя языки C или C++.
Подводя итог, можно сказать, что небольшие роботы для содержания дома пользуются всё большей популярностью. И если ещё несколько лет назад роботы лишь начали появляться в наших домах и использовались, преимущественно, для выполнения каких-либо работ (например, роботы-пылесосы), то примеры успешных запусков таких проектов как Loona и Scout показывают возрастающий интерес и к роботам, не выполняющим каких-то «полезных» функций.
Реализация подобных приложений стала возможной благодаря развитию и совершенствованию электроники, в том числе компонентов приводов и управления движением. Современные коллекторные и бесколлекторные микродвигатели позволяют создавать компактные, но в то же время мощные приводы для практически любой техники, как промышленной, так и бытовой.
В данном материале мы рассмотрели ещё одно применение небольших приводов в робототехнике. Мы можем лишь предполагать, как будет развиваться эта отрасль в дальнейшем, и какие ещё применения найдут двигатели и сервоприводы. Если у Вас есть идея или проект в робототехнике, то компания ИНЕЛСО поможет вам подобрать те двигатели или сборки, которые подойдут именно под Вашу задачу.
При подготовке материала использовалась информация, размещенная в открытых источниках.
Смотреть другие материалы Блога
ШАХМАТЫ ИЗ ГАРРИ ПОТТЕРА - МАГИЯ ИЛИ РОБОТЫ
ПРИВОДНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Приятного чтения, а мы уже готовим для вас новые интересные материалы!