Modulární koncepce servisních robotů

Daniel Polák

Doctoral thesis

Modular concept of service robots

Abstract:

Disertační práce je zaměřena na aplikaci a rozvoj principů modularity při vývoji servisního robotu. Koncept modularity byl aplikován na protipožární robot HARDY, který tvoří pilotní konfiguraci bezkonkurenční modulární robotické platformy. Cílem vývoje modulární platformy je možnost rychlé změny konfigurace kinematických struktur a požadované zásahové technologie dle aktuálních potřeb a parametrů zásahu. Modulární platforma se vyznačuje celou řadou inovativních řešení. Sestává z modulů dvou úrovní – primárních a sekundárních modulů. Portfolio unikátní modulární platformy je otevřené a může být dle potřeby rozšiřováno novými specifickými moduly nebo novými typorozměry stávajících modulů. V závěru práce je věnován prostor pro návrh dalších modulů platformy. U manipulátorů průmyslových robotů je obvykle kladen důraz na tuhost konstrukce, plynulost pohybu koncového bodu a opakovatelnou přesnost polohování. Manipulátory servisních robotů, zejména těch mobilních, obvykle nevyžadují tak vysokou tuhost a přesnost, ale z důvodu omezeného zdroje energií je jedním ze sledovaných parametrů spotřeba pohonů jak modulu manipulace, tak všech ostatních spotřebičů, hlavně pohonů pojezdu. Při vývoji těchto špičkových zařízení pak konstruktéři obvykle musí řešit kromě obecného problému, jakou použít metodiku, aby vývoj od stanovení koncepce až po finální produkt proběhl efektivně a v co nejkratším čase, také optimalizaci konstrukce z hlediska energetické náročnosti. V rámci disertační práce byla věnována značná pozornost stanovení metodiky předběžného návrhu modulů manipulace servisních robotů a jejich optimalizaci z hlediska spotřeby energie. Uvedená metodika vychází z definovaného spojitého matematického modelu, který pracuje s parametry reálných pohonů a jehož koeficienty vstupují do algoritmů optimalizačních výpočtů. Ty sledují vzájemné souvislosti mezi rozměrovými parametry profilů ramen, jejich délkou, hmotností pohonů a jejich vliv na spotřebu energie a celkovou hmotnost modulu manipulace. Vyvinutá metodika představuje tři rozdílné optimalizační postupy předběžného návrhu modulů manipulace a konstruktér si zvolí tu nejvhodnější z nich na základě známých parametrů na začátku návrhu. Funkčnost optimalizačních nástrojů byla ověřena při vývoji modulu manipulace modulárního servisního zásahového robotu HARDY. V praxi se ukázalo, že metodika předběžného návrhu modulu manipulace představuje pro konstruktéra silný nástroj, pomocí kterého může již při první iteraci návrhu a ve velmi krátkém čase získat konkrétní parametry, které mohou být velmi blízké finálnímu řešení. Doba vývoje složitých robotických manipulátorů tak může být významně zkrácena.

Abstract:

Dissertation thesis focused on an application and an advancement of the modularity principles in the development of service robots. The concept of modularity has been applied to the emergency fire-fighting robot HARDY, which forms a pilot configuration of a modular robotic platform in service robotics. The aim of the development of the modular robotic platform is the ability to change quickly the configuration of kinematic structures and required emergency technology according to current needs of the intervention. The modular platform is characterized by a range of innovative solutions. It consists of two-level modules - primary and secondary modules (sub-modules). Portfolio of the unique modular platform is open and could be expanded as required by new specific modules or new dimensional types of existing modules. The conclusion of the thesis is devoted to the additional platform modules´ design. Industrial robot manipulators have usually to fulfil high demands on the construction stiffness, continuousness of movement of the end-point and repeatable positioning accuracy. Service robot manipulators, especially those mobile ones, do not usually require such high stiffness and accuracy, but because of the limited energy resources one of the parameters in view is the energy intensity of drives i.e. of the handling module and all other appliances, especially travel drives. When developing these top devices, designers usually have to solve - besides general problems, such as what methodology to use so that the development from determining the concept to the final product runs efficiently and in the shortest possible time - also the optimizing of the construction in terms of energy consumption. As a part of the dissertation thesis, considerable attention has been devoted to determining the methodology of preliminary design of the service robots´ handling modules and their optimization in terms of energy consumption. The mentioned methodology results from a defined continuous mathematical model which operates with parameters of the real drives and whose coefficients enter into the algorithms of optimization calculations. They monitor the reciprocal connection between dimensional parameters of the arms´ profiles, their length, weight of the drives and their impact on energy consumption and the total weight of the handling module. The developed methodology represents three different optimization procedures of the preliminary design of the handling modules and the designer chooses the most suitable one based on known parameters at the beginning of the design. Functionality of the optimization tools have been verified in the process of developing the handling module of the modular service robot HARDY. It has been turned out in practice that the methodology of the preliminary design of the handling module is a powerful tool for the designer, by which he could at the first iteration of the design and in a very short time get the specific parameters which can be very close to the final solution. The development period of the complicated robotic manipulators can be significantly shortened in this way.

Keywords

Servisní robot, modulární robot, metodika, návrh pohonů

Keywords

service robot, modular robot, methodics, drive design

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 8. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 30. 1. 2014
• Supervisor: Jiří Skařupa
• Reader: Vladimír Mostýn, Radek Knoflíček, Darina Kumičáková

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Robotika