Гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот

Группа изобретений относится к области реконфигурируемых мобильных роботов. Гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот состоит из цепи мехатронных модулей, оснащенной с двух сторон андрогинными стыковочными узлами, платформы с системой удержания равновесия и выдвижными опорами, двигающейся вдоль цепи мехатронных модулей, и сменных рабочих инструментов и схватов с андрогинными стыковочными узлами, присоединяемых к цепи мехатронных модулей или располагаемых на платформе с системой удержания равновесия. Достигается создание робота, способного передвигаться с высокой скоростью и прокладывать себе путь через препятствия, при этом перевозя грузы, и выполнять различные действия рабочими инструментами. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области реконфигурируемых мобильных роботов и может быть использовано в различных областях промышленности и народного хозяйства в целях обследования территории, доставки грузов, а также проведения различных работ при помощи сменных рабочих инструментов и схватов.

Уровень техники

Из уровня техники известны реконфигурируемые роботы, способные менять свою конфигурацию для движения по различным типам местности [Кадочников М.В. Модели, алгоритмы и программное обеспечение систем управления мехатронно-модульными роботами с адаптивной кинематической структурой / Дис. канд. техн. наук. - М.: МИРЭА, 2009. - 190 с.; Liu С. et al. Parallel Self-Assembly with SMORES-EP, a Modular Robot (интернет-ресурс: https://www.modlabupenn.org/wp-content/uploads/2020/06/liu_smores_assembly_2020.pdf)].

Недостатками таких систем являются:

- низкая скорость перемещения;

- трудность преодоления препятствий, сравнимых по высоте с размером робота, так как для этого требуется, чтобы каждое из звеньев было способно поднять массу приводов и аккумуляторов всех остальных звеньев;

- трудности с транспортировкой груза.

Также из уровня техники известны моноколеса, способные удерживать равновесие, поворачиваться, а также передвигаться с большой скоростью [FR 2937124 А1, опубликован 16.04.2010; US 7337862 В1, опубликован 04.03.2008; US 8219308 В2, опубл. 10.07.2012].

Недостатком данных систем является ограничение по проходимости:

- трудности с преодолением препятствий, сравнимых по высоте с радиусом колеса;

- трудности с преодолением провалов.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагаемая группа изобретений направлена на решение технической задачи по устранению недостатков известных технических решений.

Достигаемый при этом технический результат заключается в создании робота, способного передвигаться с высокой скоростью и прокладывать себе путь через препятствия, при этом перевозя грузы, и выполнять различные действия рабочими инструментами.

Технический результат достигается тем, что гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот состоит из цепи мехатронных модулей, оснащенной с двух сторон андрогинными стыковочными узлами, платформы с системой удержания равновесия и выдвижными опорами, двигающейся вдоль цепи мехатронных модулей, и сменных рабочих инструментов и схватов с андрогинными стыковочными узлами, присоединяемых к цепи мехатронных модулей или располагаемых на платформе с системой удержания равновесия.

Технический результат также достигается способом перемещения предложенного гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота, в соответствии с которым андрогинные стыковочные узлы замыкают цепь мехатронных модулей в кольцо, и платформа с системой удержания равновесия движется внутри образованного кольца в режиме моноколеса либо платформа с системой удержания равновесия движется вдоль разомкнутой цепи мехатронных модулей.

В одном из вариантов осуществления способа перемещения гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота, формирование кольца либо разомкнутой цепи мехатронных модулей осуществляют из цепей мехатронных модулей двух и более гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов.

Технический результат также достигается способом перемещения грузов предложенным гетерогенным модульным реконфигурируемым мобильным роботом, в соответствии с которым груз размещают на платформе с системой удержания равновесия в режиме моноколеса, либо груз перемещают сменные рабочие инструменты и схваты, присоединенные к концам цепи мехатронных модулей андрогинными стыковочными узлами, либо груз перемещают на платформе с системой удержания равновесия, движущейся вдоль разомкнутой цепи мехатронных модулей с осуществлением погрузочно-разгрузочных работ гетерогенным модульным реконфигурируемым мобильным роботом при помощи сменных рабочих инструментов и схватов.

В одном из вариантов осуществления способа перемещения грузов, одновременно используют сменные рабочие инструменты и схваты двух и более гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов.

В еще одном из вариантов осуществления способа перемещения грузов, формирование кольца либо разомкнутой цепи мехатронных модулей осуществляют из цепей мехатронных модулей двух и более мобильных гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов.

В еще одном варианте осуществления способа перемещения грузов, погрузочно-разгрузочные работы дополнительно осуществляют, в том числе, другими гетерогенными модульными реконфигурируемыми мобильными роботам при помощи их сменных рабочих инструментов и схватов, присоединенных к концам их цепей мехатронных модулей андрогинными стыковочными узлами.

Краткое описание чертежей

Группа изобретений поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан вид гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота в различных конфигурациях. Он состоит из платформы с системой удержания равновесия 1, цепи мехатронных модулей 2, андрогинных стыковочных узлов 3, выдвижных опор 4 и сменных рабочих инструментов и схватов 5 (а - моноколесо; б - использование сменных рабочих инструментов и схватов; в - переходная стадия от замкнутой к разомкнутой цепи мехатронных модулей; г - соединение цепей мехатронных модулей двух гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов).

На фиг. 2 показаны способы перемещения гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота (а - моноколесо; б - моноколесо, собранное из двух гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов; в - перемещение платформы с системой удержания равновесия вдоль разомкнутой цепи мехатронных модулей; г - перемещение платформы с системой удержания равновесия вдоль разомкнутых соединенных цепей мехатронных модулей двух гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов).

На фиг. 3 показаны способы перемещения грузов 6 гетерогенным модульным реконфигурируемым мобильным роботом (а - моноколесом; б - моноколесом, собранным из двух гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов; в - сменными рабочими инструментами и схватами; г - сменными рабочими инструментами и схватами двух гетерогенных реконфигурируемых мобильных роботов; д - вдоль разомкнутой цепи мехатронных модулей; е - группой гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов).

На фиг. 4 показано преодоление гетерогенным модульным реконфигурируемым мобильным роботом провала.

На фиг. 5 показано преодоление гетерогенным модульным реконфигурируемым мобильным роботом провала при использовании двух гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов для создания моста.

На фиг. 6 показан подъем гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота на ступеньку.

На фиг. 7 показан спуск гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота со ступеньки.

На фиг. 8 показана транспортировка грузов через провал с использованием трех гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов.

На фиг. 9 показано использование цепи мехатронных модулей для применения сменных рабочих инструментов и схватов в труднодоступных местах.

Осуществление изобретения

Работает устройство следующим образом.

Для движения в режиме моноколеса цепь мехатронных модулей 2 (от одного или нескольких гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов) замыкается в кольцо андрогинными стыковочными узлами 3, после чего платформа с системой удержания равновесия 1 (либо несколько таких платформ) движется внутри образованного кольца, обеспечивая движение, балансировку и маневрирование как моноколесо (фиг. 1 а, б).

Для движения вдоль разомкнутой цепи мехатронных модулей 2 (от одного или нескольких гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов) андрогинный стыковочные узлы 3 размыкают цепь каждого из гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов, а затем соединяют цепи мехатронных модулей 2 вместе, после чего платформа с системой удержания равновесия 1 (либо несколько таких платформ) движется вдоль образованной цепи мехатронных модулей 2 (фиг. 1 в, г).

Для перемещения грузов, груз 6 размещается на платформе с системой удержания равновесия 1 либо перемещается рабочими инструментами и схватами 5 одного или нескольких гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов.

Для преодоления провала гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот подъезжает к краю провала, вывешивается на выдвижных опорах 4 (фиг. 4а), прокручивает замкнутую цепь мехатронных модулей 2 таким образом, чтобы ее точка замыкания оказалась строго сверху, производит размыкание андрогинных стыковочных узлов 3, разворачивает цепь мехатронных модулей 2 в прямую (фиг. 4б) и перемещает ее в направлении провала. После того как конец цепи мехатронных модулей 2 заходит на противоположную сторону провала на расстояние, равное длине платформы с системой удержания равновесия 1 (фиг. 4в), гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот убирает выдвижные опоры 4 и перемещает платформу с системой удержания равновесия 1 вдоль цепи мехатронных модулей 2 на противоположную сторону провала (фиг. 4 г, д). После этого гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот снова вывешивается на выдвижных опорах 4, втягивает цепь мехатронных модулей 2 так, чтобы платформа с системой удержания равновесия 1 оказалась над ее серединой (фиг. 4е), замыкает (фиг. 4ж) цепь мехатронных модулей 2 в кольцо при помощи андрогинных стыковочными узлов 3, втягивает выдвижные опоры 4 и продолжает движения в режиме моноколеса.

Для преодоления провала группой гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов, например двумя, первый гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот подъезжает в режиме моноколеса к краю провала (фиг. 5а), вывешивается на выдвижных опорах 4, прокручивает замкнутую цепь мехатронных модулей 2 таким образом, чтобы ее точка замыкания оказалась строго сверху, производит размыкание андрогинных стыковочных узлов 3, разворачивает цепь мехатронных модулей 2 в прямую и перемещает ее в направлении провала (фиг. 5б). Второй гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот подъезжает в режиме моноколеса в точку, расположенную по продольной оси первого гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота, вывешивается на выдвижных опорах 4, прокручивает замкнутую цепь мехатронных модулей 2 таким образом, чтобы ее точка замыкания оказалась строго сверху, производит размыкание андрогинных стыковочных узлов 3, разворачивает цепь мехатронных модулей 2 в прямую (фиг. 5в) и перемещает ее в направлении первого гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота, пока цепи мехатронных модулей 2 не сойдутся (фиг. 5г), после чего производится соединение цепей мехатронных модулей 2 при помощи андрогинных стыковочных узлов 3. Второй гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот втягивает выдвижные опоры 4 и перемещает свою платформу с системой удержания равновесия 1 до платформы с системой удержания равновесия 1 первого гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота (фиг. 5д), и вывешивается на выдвижных опорах 4. Затем оба гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных робота перемещают соединенные цепи мехатронных модулей 2 в направлении провала. После того как конец цепи мехатронных модулей 2 заходит на противоположную сторону провала на расстояние, равное двум длинам платформы с системой удержания равновесия 1 (фиг. 5е), первый гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот убирает выдвижные опоры 4 и перемещает платформу с системой удержания равновесия 1 вдоль соединенных цепей мехатронных модулей 2 на противоположную сторону провала (фиг. 5ж), где вывешивается на выдвижных опорах 4 (фиг. 5з). После этого второй гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот убирает выдвижные опоры 4 и перемещает платформу с системой удержания равновесия 1 вдоль соединенных цепей мехатронных модулей 2 на противоположную сторону провала (фиг. 5и), где вывешивается на выдвижных опорах 4. Оба гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных робота втягивают соединенные цепи мехатронных модулей 2 так, чтобы они полностью оказались на той же стороне провала, что и платформы с системой удержания равновесия 1 (фиг. 5к), после чего убирают выдвижные опоры 4 и перемещают платформы с системой удержания равновесия 1 на середины цепей мехатронных модулей 2 и снова вывешиваются на выдвижных опорах 4 (фиг. 5л). Гетерогенные модульные реконфигурируемые мобильные роботы размыкают цепи мехатронных модулей 2 (фиг. 5м), каждый из них замыкает свою цепь мехатронных модулей 2 в кольцо при помощи андрогинных стыковочными узлов 3, втягивает выдвижные опоры 4 и продолжает движение в режиме моноколеса (фиг. 5н).

Для подъема на ступеньку гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот подъезжает к ступеньке, вывешивается на выдвижных опорах 4 (фиг. 6а), прокручивает замкнутую цепь мехатронных модулей 2 таким образом, чтобы ее точка замыкания оказалась строго сверху, производит размыкание андрогинных стыковочных узлов 3, разворачивает цепь мехатронных модулей 2 так, чтобы один ее конец лег на ступеньку (фиг. 6б). Затем гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот убирает выдвижные опоры 4 и перемещает платформу с системой удержания равновесия 1 вдоль цепи мехатронных модулей 2 наверх на ступеньку (фиг. 6в). Там гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот вывешивается на выдвижных опорах 4 (фиг. 6г) и втягивает цепь мехатронных модулей 2 (фиг. 6д), замыкает ее в кольцо при помощи андрогинных стыковочных узлов 3, втягивает выдвижные опоры 4 и продолжает движение в режиме моноколеса.

Для спуска со ступеньки гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот подъезжает к краю ступеньки, вывешивается на выдвижных опорах 4, прокручивает замкнутую цепь мехатронных модулей 2 таким образом, чтобы ее точка замыкания оказалась строго сверху, производит размыкание андрогинных стыковочных узлов 3 (фиг. 7а), разворачивает цепь мехатронных модулей 2 так, чтобы один ее конец лег на пол перед ступенькой (фиг. 7б). Затем гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот убирает выдвижные опоры 4 и перемещает платформу с системой удержания равновесия 1 вдоль цепи мехатронных модулей 2 вниз со ступеньки (фиг. 7в). Там гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот вывешивается на выдвижных опорах 4 (фиг. 7г) и втягивает цепь мехатронных модулей 2 (фиг. 7д), замыкает ее в кольцо при помощи андрогинных стыковочными узлов 3, втягивает выдвижные опоры 4 и продолжает движение в режиме моноколеса.

Для транспортировки грузов с использованием группы гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов один из роботов перемещает платформу с системой удержания равновесия 1 вдоль разомкнутой цепи мехатронных модулей 2, второй гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот сменными рабочими инструментами и схватами 5 располагает груз 6 на платформе с системой удержания равновесия 1 первого гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота (фиг. 8 а, б), первый гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот перемещает платформу с системой удержания равновесия 1 с грузом 6 (фиг. 8в), а третий гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот снимает грузы с нее (фиг. 8г).

Для применения сменных рабочих инструментов и схватов 5 в труднодоступных местах гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот присоединяет андрогинным стыковочным узлом 3 один из рабочих инструментов и схватов 5 к концу разомкнутой цепи мехатронных модулей 2 и проводит ее к месту выполнения работы (фиг. 9).

Работоспособность группы изобретений была проверена на компьютерной модели, которая наглядно продемонстрировала достижение требуемого технического результата.

1. Гетерогенный модульный реконфигурируемый мобильный робот, характеризующийся тем, что состоит из цепи мехатронных модулей, оснащенной с двух сторон андрогинными стыковочными узлами, платформы с системой удержания равновесия и выдвижными опорами, двигающейся вдоль цепи мехатронных модулей, и сменных рабочих инструментов и схватов с андрогинными стыковочными узлами, присоединяемых к цепи мехатронных модулей или располагаемых на платформе с системой удержания равновесия.

2. Способ перемещения гетерогенного модульного реконфигурируемого мобильного робота по п. 1, характеризующийся тем, что андрогинные стыковочные узлы замыкают цепь мехатронных модулей в кольцо, и платформа с системой удержания равновесия движется внутри образованного кольца в режиме моноколеса, либо платформа с системой удержания равновесия движется вдоль разомкнутой цепи мехатронных модулей.

3. Способ по п. 2, где формирование кольца либо разомкнутой цепи мехатронных модулей осуществляют из цепей мехатронных модулей двух и более гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов.

4. Способ перемещения грузов гетерогенным модульным реконфигурируемым мобильным роботом по п. 1, характеризующийся тем, что груз размещают на платформе с системой удержания равновесия в режиме моноколеса, либо груз перемещают сменные рабочие инструменты и схваты, присоединенные к концам цепи мехатронных модулей андрогинными стыковочными узлами, либо груз перемещают на платформе с системой удержания равновесия, движущейся вдоль разомкнутой цепи мехатронных модулей с осуществлением погрузочно-разгрузочных работ гетерогенным модульным реконфигурируемым мобильным роботом при помощи сменных рабочих инструментов и схватов.

5. Способ по п. 4, где одновременно используют сменные рабочие инструменты и схваты двух и более гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов.

6. Способ по п. 4, где формирование кольца либо разомкнутой цепи мехатронных модулей осуществляют из цепей мехатронных модулей двух и более мобильных гетерогенных модульных реконфигурируемых мобильных роботов.

7. Способ по любому из пп. 4-6, где погрузочно-разгрузочные работы дополнительно осуществляют, в том числе, другими гетерогенными модульными реконфигурируемыми мобильными роботам при помощи их сменных рабочих инструментов и схватов, присоединенных к концам их цепей мехатронных модулей андрогинными стыковочными узлами.