RO128494B1 - Minirobot pe şenile destinat aplicaţiilor speciale în teatrele de operaţii - Google Patents

Description

Invenția se referă la un minirobot pe șenile, destinat aplicațiilor speciale în teatrele de operații încadrat în domeniul tehnic - tehnologii militare avansate, din categoria roboților mobili pe șenile care sunt capabili să înlocuiască elementul uman în zone cu grad ridicat de risc pentru sănătatea și/sau viața acestuia, pentru ca să obțină și informații din teatrele de operații.

Se cunosc roboți pe șenile utilizați în momentul de față în aplicații genistice, un exemplu în acest sens constituindu-l robotul Talon, respectiv, robotul tEODor. Dezavantajele acestor roboți constau în faptul că au dimensiuni și greutăți mari, construcții complicate, consum energetic mărit, iar prin utilizarea lor se pune accentul pe detectarea/dezamorsarea munițiilor neexplodate, și mai puțin pe nivelul informațional performant.

Din teza de doctorat “Contribuții privind cinematica și dinamica roboților pentru intervenții în situații speciale”- Academia Tehnică Militară, 2009, se cunoaște un minirobot pe șenile destinat aplicațiilor speciale, compus dintr-un modul purtător șenilat pe care este articulat, printr-o cuplă dublă de rotație, un modul braț mecanic, compus, la rândul său, dintr-un modul al coloanei pivotante, articulat cu un antebraț, purtătorul unui mecanism prehensor pentru manipulare. Minirobotul cuprinde și module necesare pentru teleoperare, respectiv, senzori, acumulatori, cameră de luat vederi, modul de comandă acționare și control. Modulul brațului asigură o dublă rotație, o axă de rotație a coloanei pivotante în jurul axei longitudinale și una în raport cu o axă paralelă cu șasiul vehiculului purtător și perpendiculară pe prima. Cele două mișcări de rotație sunt obținute de la două motoreductoare electrice, asistate de traductori de poziție unghiulară.

Din brevetul US 20110040427 A1 se cunoaște un minirobot autonom hibrid, compus dintr-un prim modul de bază, ce cuprinde un sistem de acționare pentru deplasare cu șenile, care este articulat printr-o cuplă de rotație de un al doilea modul, adaptat să funcționeze ca mijloc de acționare, și care prezintă la capătul lanțului cinematic un prehensor, fiind compus cu mai multe elemente pliabile asamblate prin cuple de rotație. Minirobotul poate cuprinde și module necesare pentru teleoperare, respectiv, senzori, acumulatori, cameră de luat vederi, GPS, detector LI DAR, modul cu telecomandă pentru acționare și control, putând fi asamblat într-o largă paletă de combinații.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în mărirea capacității observaționale, coroborată cu extinderea manevrabilității, cât și minimizarea consumului energetic aferent operațiunilor.

Minirobotul înlătură dezavantajele menționate și rezolvă problema tehnică propusă prin aceea că este capabil de a obține și a culege, de la distanță, informații video în vederea observării și detectării munițiilor neexplodate și a dispozitivelor explozive improvizate, fiind capabil să se deplaseze autonom, acționat cu niște motoare electrice, având patru grade de mobilitate și care, prezintă o structură mecanică, modularizată compactă, utilizând în structura sa materiale și componente rezistente la medii periculoase, niște leduri și o cameră video color, depozitată și protejată într-un suport atașat printr-o tijă de un braț basculant, articulat printr-un modul de rotație, ce cuprinde o cuplă de rotație fixată prin niște șuruburi pe un suport al corpului minirobotului și prin intermediul unei piese inelare și a unui platou de rotație, funcția de reducție fiind realizată prin niște mecanisme de transmisie din cadrul unor reductoare cu dublă acționare electrică la care, brațul basculant este acționat prin intermediul unui mecanism de tip patrulater, al cărui lanț cinematic este compus din niște antebrațe articulate prin niște cuple de rotație de brațul basculant, iar de carcasa modului de rotație, prin alte cuple de rotație montate pe niște piese de susținere care fac corp comun cu respectiva carcasă. Motoarele electrice pas cu pas sunt asistate de traductoare incrementale de unghi pentru controlul deplasării, rotația modulului, a lanțului cinematic al mecanismului patrulater, cât și a brațului fiind obținută prin intermediul unui motor electric, poziționat vertical în corpul structurii mecanice și montat pe o cuplă de

RO 128494 Β1 rotație printr-un arbore motor, care va imprima cuplei o rotație după axa verticală având valori 1 cuprinse între 0° și 355°, iar rotația celor două antebrațe, respectiv, bascularea brațului fiind realizate cu ajutorul unui motor electric care pune în mișcarea de rotație arborele conducător 3 al antebrațului prin intermediul unui angrenaj cilindric cu roți dințate având drept efect imprimarea unui unghi de basculare a brațului cuprins între 15° și 50°, mișcarea de translație 5 în direcția de deplasare a minirobotului fiind asigurată de două motoare electrice a căror mișcare de rotație este transmisă, cu ajutorul unor cuplaje mecanice, la un reductor cu 7 angrenaje cilindrice cu dublă acționare, acesta punând în mișcare niște roți conducătoare pereche și, prin șenilele aferente, niște roți conduse. 9

Conform invenției, minirobotul pe șenile oferă următoarele avantaje:

- reducerea timpului de culegere a informațiilor din teatrele de operații prin asamblarea 11 unui braț modular robotic pe structura mecanică a minirobotului, ce efectuează o cursă de 355° (acoperirea aproximativ în totalitate a spațiului de lucru); 13

-construcție compactă, gabarit redus, eficiență ridicată, posibilitatea operării pe terenuri accidentate, cost de construcție relativ redus; 15

- elimină intervenția directă a factorului uman din zonele de conflict militar periculoase sau nocive; 17

- exploatare ușoară în modurile automate, și programarea mișcărilor prin învățare și manual; 19

- randament ridicat și consum energetic minim, obținut printr-un algoritm de calcul dinamico-organologic, în vederea determinării momentului necesar acționării cuplelor cine- 21 matice de mișcare și, implicit, de alegere a acelor motoare de curent continuu adecvate.

Se prezintă, în continuare, un exemplu de realizare privind soluția constructivă și 23 funcțională a minirobotului pe șenile, conform invenției, având în vedere fig. 1...7, ce reprezintă:

- fig. 1, schema cinematică structurală a minirobotului; 25

- fig. 2, vedere laterală a minirobotului;

- fig. 3, vedere laterală secționată - structura mecanică a minirobotului; 27

- fig. 4, vedere în planul orizontal xOy - structura generală a minirobotului;

- fig. 5, secțiune prin modulul de rotație, detaliul C din fig. 3; 29

- fig. 6, vedere în secțiunea A-A din fig. 3;

- fig. 7, vedere de sus, punând în evidență spațiul de lucru în planul orizontal xOy, 31 poziția sau cursa maximă a brațului (Br) minirobotului.

Minirobotul conform invenției este constituit din două module principale, modulul de 33 rotație, cu un grad de mobilitate (rotația după axa z), și modulul basculant, cu două grade de mobilitate (rotație după axa y și translație în planul vertical zOx), la care se adaugă baza 35 minirobotului BMR (fig. 3).

Modulul de rotație MRo (fig. 3, fig. 5) este format din următoarele elemente: cupla de 37 rotație CR, având suprafața exterioară cilindrică, și platoul de rotație PR.

Fixarea cuplei de rotație CR pe suportul corpului minirobotului BMR se realizează prin 39 intermediul unei piese plane inelare, respectiv, prin șase șuruburi de prindere Sp₂ cu șaibe Grover SG și piulițe P, iar modulul MRo se poziționează și se prinde pe cupla CR cu șuruburi 41 și piulițe de prindere Sp^ Mișcarea de rotație a cuplei CR imprimată de motorul M3 se obține în cadrul platoului de rotație PR prin intermediul unui rulment axial cu bile Rab și al unui rulment 43 radial cu bile Rrb, frecările dintre cele două componente fiind eliminate datorită rugozității mici a suprafețelor de contact, obținută printr-o prelucrare mecanică având precizie ridicată. 45 Deplasarea după axa z a cuplei de rotație CR O₂ (implicit a modulului MRo și a modulului basculant) este oprită de umărul platoului de rotație PR prin intermediul rulmentului radial cu 47 bile fixat pe CR O₂ cu inele elastice le.,, iar platoul de rotație PR este fixat de modulul de bază BMR al minirobotului prin intermediul șuruburilor Sp₂ și al piulițelor de fixare P. 49

RO 128494 Β1

Modulul basculant (fig. 1, 3 și 6) reprezintă un mecanism de tip patrulater și cuprinde:

a) antebrațele Br1 și Br2 montate pe două piese de susținere P_s (care fac corp comun cu carcasa modulului MRo), prin intermediul unor piese de legătură (arborele canelat Ac O₃, respectiv, bolțul Er O₆);

b) brațul Br care se asamblează cu antebrațele Br1 și Br2 prin intermediul unor piese de legătură (bolțurile ErO_s, respectiv, ErO₄). Mișcarea de basculare a brațului Brsau mișcarea de translație a brațului Brîn planul zOx (vezi fig. 1), este obținută din mișcarea de rotație după axa y a antebrațelor Br1 și Br2, mișcare transmisă de la motorul electric M4 prin intermediul angrenajului cilindric AC cu roți dințate Rdc, al arborelui canelat Ac O₃, respectiv, al bolțului Er O₆. Bucșele Β_ή, respectiv, B₂ permit rotația arborelui Ac O₃ cu frecări reduse între elementele componente, pana dreptunghiulară PA având rolul de fixare a roții Rdc pe arborele Ac O₃, respectiv, de a transmite mișcarea de rotație (cuplu motor) de la motorul M4 la brațul Br. Pentru evitarea mișcării axiale (de-a lungul arborelui Ac O₃), bucșa B^ respectiv, roata Rdc sunt fixate pe arborele canelat prin intermediul inelelor elastice le₂. De brațul Br este atașat, prin tija T, suportul S, folosit în scopul depozitării și protejării camerei de vizualizare de la distanță, fără fir (wireless), care furnizează informații cu privire la zonele de interes. Modulul MRo este prevăzut cu două capace fixate de carcasă prin șuruburi, care permit accesul ușor și rapid al operatorului uman în interiorul acestuia, facilitând montarea și demontarea rapidă a cuplei de rotație CR, brațului Br și a modulului MRo pe suportul BMR.

Gradul de mobilitate I (fig. 1,2, 3, 5, 7) - rotația modulului MRo după axa z (realizată prin intermediul ansamblului cuplă de rotație CR O₂ și rulmentul axial cu bile, respectiv, rulmentul radial cu bile), care, totodată, va roti lanțul cinematic al mecanismului de tip patrulater, format din arborele canelat Ac O₃, antebrațul Br1, bolțurile Er O₄, ErO_s, ErO₆, antebrațul Br2 și brațul Br - este obținută prin intermediul unui motor electric pas cu pas M3 O_r Motorul M3 Ο₁₍ poziționat vertical în corpul BMR, este montat pe cupla CR printr-un arbore motor Am M3, legătura dintre arborele cuplei și cel al motorului realizându-se printr-un cuplaj mecanic Cm M3 fixat cu șuruburile Sp₃. Motorul M3 O₁ imprimă cuplei CR o rotație după axa verticală (Δ), a cărei viteză unghiulară, respectiv, unghiul de rotație (având valori variabile de la 0° la 355°) sunt programate și controlate de la distanță de operatorul uman, prin intermediul unui program de calculator (software).

Gradele de mobilitate II și III (fig. 1,3, 7) - rotația antebrațului Br1 după axay, respectiv, bascularea brațului Brîn planul zOx - sunt realizate cu ajutorul unui motor electric pas cu pas M4, care pune în mișcare de rotație arborele conducător (arborele canelat Ac O₃) al antebrațului Br1 prin intermediul unui angrenaj cilindric cu roți dințate, montat pe arborele conducător al antebrațului Br1. Motorul M4 este montat în poziție orizontală pe elementul de sprijin ce face corp comun cu carcasa modulului MRo. Mișcarea de rotație, transmisă de motorul electric pas cu pas M4 și imprimată arborelui canelat Ac O₃, va pune în mișcare de rotație antebrațele Br1 și Br2, obținându-se mișcarea de basculare în planul vertical zOx a brațului Br. Mișcarea de basculare are drept scop apropierea, respectiv, îndepărtarea camerei de vizualizare față de zona de interes, acest lucru conducând la obținerea unor informații cât mai precise asupra perimetrului sau obiectului analizat. Unghiul de basculare ce rezultă din programarea și controlul mișcării de rotație a motorului M4 poate lua valorile: 50° atunci când antebrațul Br1 este în poziție de retragere (cursa minimă), respectiv, de 15° atunci când antebrațul Br2 este în poziție de avans (cursa maximă). Cursa minimă și cea maximă ale brațului Br sunt raportate la axa de referință (Δ). Viteza imprimată de basculare este variabilă, programabilă și controlabilă prin program de calculator (software).

RO 128494 Β1

Gradele de mobilitate IV și V (fig. 1, 7) - translația minirobotului după axa x 1 înainte-înapoi, respectiv, mișcarea de rotire stânga/dreapta în direcția de deplasare a minirobotului - sunt asigurate de motoarele electrice pas cu pas M1 și M2, montate paralel unul 3 în raport cu celălalt, a căror mișcare de rotație este transmisă, prin intermediul unor cuplaje mecanice (de tipul cuplajelor mecanice Cm M3), la un reductor cu angrenaje cilindrice cu dublă 5 acționare RA, roților conducătoare pereche Rm care, la rândul lor, vor pune în mișcare roțile conduse Rc1 și Rc2, respectiv, șenilele Sn1 și Sn2 montate peste roțile pereche Rm, Rc1 și 7 Rc2. Prin frânarea unui motor, roata Rm corespunzătoare motorului frânat se va opri, rămânând în angrenare doar o singură roată Rm, acest lucru facilitând controlul direcției de deplasare 9 (mișcarea de întoarcere) a minirobotului. Distanța de deplasare este nelimitată, comunicarea operator uman - minirobot putându-se realiza prin comandă de la distanță, fără fir (wireless). 11 Viteza de deplasare este cuprinsă între 0 m/s și 0,5 m/s, ținându-se cont și de suprafața terenului de investigare, iar viteza de variație a unghiului de direcție este cuprinsă între 07min 13 și 3607min. Frânarea uneia din roțile Rm, precum și valorile unghiurilor de direcție și vitezei sunt variabile și controlabile prin program informatic (software). 15

Toate gradele de mobilitate ale minirobotului pot funcționa simultan, iar controlul deplasărilor fiecărui grad de mobilitate este asigurat prin traductoare incrementale de unghi, 17 montate pe arborele fiecărui motor electric din structura mecanică a minirobotului.

Masa totală a minirobotului este de 40 kg, iar sarcina maximă pe care o poate susține 19 este de 2,5 kg. Sistemul de operare are în componența sa 16 comenzi, iar modurile de lucru sunt automat, programarea mișcărilor prin învățare și manual. 21

Claims (2)

1. Minirobotul pe șenile, destinat aplicațiilor speciale în teatrele de operații, capabil de a obține și a culege, de la distanță, informații video, în vederea observării și detectării munițiilor neexplodate și a dispozitivelor explozive improvizate, se deplasează autonom, acționat cu niște motoare electrice, având patru grade de mobilitate, și prezintă o structură mecanică, modularizată, compactă, utilizând în structura sa materiale și componente rezistente la medii periculoase, niște leduri și o cameră video color, depozitată și protejată într-un suport (S) atașat printr-o tijă (T) de un braț basculant (Br), articulat printr-un modul de rotație (Mro) care cuprinde o cuplă de rotație (CR) fixată prin niște șuruburi pe un suport al corpului minirobotului (BMR), și prin intermediul unei piese inelare și al unui platou de rotație (PR), funcția de reducție fiind realizată prin niște mecanisme de transmisie din cadrul unor reductoare cu dublă acționare electrică, caracterizat prin aceea că brațul basculant (Br) este acționat prin intermediul unui mecanism de tip patrulater, al cărui lanț cinematic este compus din niște antebrațe (Br1, Br2) articulate prin niște cuple de rotație (04, 05) de brațul basculant (Br), iar de carcasa modului (MRo) de rotație, prin alte cuple de rotație (03, 06) montate pe niște piese de susținere care fac corp comun cu respectiva carcasă.

2. Minirobot pe șenile, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că motoarele electrice pas cu pas sunt asistate de traductoare incrementale de unghi, rotația modulului (MRo) lanțului cinematic al mecanismului patrulater, cât și a brațului (Br) fiind obținută prin intermediul unui motor electric (M3 O.,) poziționat vertical în corpul structurii mecanice (BMR), și montat pe o cuplă de rotație printr-un arbore motor (Am M3), care imprimă cuplei (CR) o rotație după o axă verticală (A), acoperind un unghi cuprins între 0° și 355°, iar rotația celor două antebrațe (Br1, Br2), respectiv, bascularea brațului (Br) fiind realizată cu ajutorul unui motor electric (M4) ce pune în mișcare de rotație arborele conducător (Ac 0₃) al antebrațului (Br1), prin intermediul unui angrenaj cilindric cu roți dințate, având drept efect imprimarea unui unghi de basculare a brațului (Br) cuprins între 15° și 50°, mișcarea de translație în direcția de deplasare a minirobotului fiind asigurată de două motoare electrice (M1, M2), prin nițte cuplaje mecanice, și un reductor (RA) cu angrenaje cilindrice cu dublă acționare, ce pune în mișcare niște roți pereche (Rm) conducătoare și, prin șenilele (Sn1, Sn2) aferente, niște roți (Rc) conduse.