In the work are described selected robot designs that use their mobile properties in a peculiar way. The first example is the one-wheel robot, which is a case of statically unstable robot. It means that if the robot is to maintain its position and orientation it has to dynamically change its centre of gravity, which is done by the use of the Kalman filter. During motion the gyroscopic effect keeps the robot on a set trajectory. The next example is the design and construction of a 2-wheeled robot. This case uses hierarchical control in order to optimize calculations, and thus the consumption of energy. Mathematical model has been developed and used to control the robot. An evident extension of the work related to mobile robots is development of an algorithm to control a group of robots. This concept was thoroughly described and it is based on deterministic methods. Another expansion of the field of control of a robot or a group of robots is introduction of reduction of systematic error connected with the type of motion of robots in an unknown environment. Proposed solution is based on a use of a Kalman filter and techniques connected with trilateration, triangulation in order to reduce said error. Further work was concentrated on controlling a formation of robots with the use of Kohonen neural networks, which are used in order to eliminate the lack of possibility to manoeuvre around certain types of obstacles. Taking into account one of the fundamental properties of the mobile robots, such as ability to perform inspection of areas hard to access for a human, three designs of inspection robots are introduced in the work. They are used to inspect pipes, ducts and tanks with liquid. First concept has one drive, which uses screw motion to move the robot in pipes. The robot can adjust itself in some range to fit different pipe sizes. Second concept is based on use of tracks, which are pushed against the pipe using a specially designed mechanism. Third concept of the robot is designed for diagnosis and monitoring of water tanks and also utilizes tracks. All of the presented solutions are characterized by high integration of individual systems and the optimization of energy consumption.
W pracy przedstawiono wybrane konstrukcje robotów, które w szczególny sposób wykorzystują swoje własności mobilne. Pierwszym przykładem jest robot jednokołowy, który jest przykładem robota statycznie niestabilnego. To oznacza, iż aby robot mógł utrzymywać zadaną pozycję i orientację potrzebuje dynamicznie zmieniać swój środek ciężkości. W tym celu użyto filtr Kalmana, natomiast podczas ruchu efekt żyroskopowy utrzymuje robota na zadanej trajektorii. Kolejnym przykładem jest konstrukcja 2-kołowego robota. W tym rozwiązaniu zastosowano hierarchiczne sterowanie w celu optymalizacji obliczeń, a co za tym idzie konsumpcji energii. Opracowany model matematyczny został wykorzystany do sterowania robotem. Naturalnym rozszerzeniem prac związanych z mobilnymi robotami kołowymi było opracowanie algorytmu sterowania grupą robotów. Koncepcja ta została obszernie opisana i bazuje na metodach deterministycznych. Kolejnym rozszerzeniem tematyki sterowania robotem lub grupą robotów było zaproponowanie algorytmu redukcji błędu systematycznego związanego ze sposobem poruszania się robotów w nieznanym środowisku. Zaproponowane rozwiązanie bazuje na wykorzystaniu filtru Kalmana oraz technik opartych na trilateracji, triangulacji do redukcji wyżej wymienionego błędu. Kolejne prace koncentrowały się na sterowaniu formacją robotów z wykorzystaniem sieci neuronowych Kohonena w celu eliminacji braku sposobu mijania specyficznego rodzaju przeszkód. Biorąc pod uwagę jedną z podstawowych własności robotów mobilnych, czyli możliwość dokonywania inspekcji trudno osiągalnych obszarów dla człowieka, zaproponowano w pracy trzy konstrukcje robotów inspekcyjnych do monitorowania stanu rur, przewodów oraz zbiorników z cieczą. W pierwszej koncepcji wykorzystano jeden napęd, który za pomocą ruchu śrubowego umożliwia poruszanie się robota w rurach, dostosowując się do ich średnicy w pewnym zakresie. Druga koncepcja opiera się na wykorzystaniu napędów gąsienicowych, które są rozpychane za pomocą odpowiednio zaprojektowanego mechanizmu. Trzecia koncepcja robota jest przeznaczona do diagnostyki i monitoringu zbiorników wodnych i również wykorzystuje napędy gąsienicowe. Wszystkie przedstawione rozwiązania cechuje wysoka integracja poszczególnych systemów i ich optymalizacja pod kątem poboru energii.
Wydawnictwa nie prowadzą sprzedaży książek z serii "Rozprawy Monografie". Zainteresowanych prosimy o kontakt z ich autorami.
- Spis treści
-
Streszczenie 9
Summary 10
1. Introduction 11
2. Mobile robots and their usage 12
2.1. Review of mobile robots 12
2.2. Implementation of mobility of mobile robots 12
3. Stability 14
3.1. Introduction 14
3.2. Types of stability 14
3.3. Asymptotic stability 15
3.4. Marginal Stability 17
3.5. Instability 18
4. The diversity of the environment in which mobile robots operate 19
5. The holonomics and nonholonomics in mobile robots 21
6. The energy problem in mobile robots 23
7. The autonomy in mobile robots 25
8. The nonlinearity in modelling of the mobile robots 26
9. Aim and scope of the work 27
9.1. Aim of the work 27
9.2. Scope of the work 27
10. The wheeled mobile robots 29
10.1. Mono-wheel mobile robots 29
10.1.1. Overview of the mono-wheel robots 29
10.1.2. Mathematical description of the mono-wheel robots 31
10.1.3. Mechatronic description of the mono-wheel robot 37
10.1.3.1. Mechanical structure 37
10.1.3.2. Electronic structure 39
10.1.3.3. Simulation 40
10.1.3.4. Control system implementation 42
10.1.4. Prototype testing 45
10.1.5. Conclusions 47
10.2. 2-wheeled mobile robots 48
10.2.1. Overview of the 2-wheeled mobile robots 48
10.2.2. Mathematical description of the 2-wheeled mobile robots 48
10.2.2.1. Kinematics description of the 2-wheeled mobile robots 48
10.2.2.2. Dynamics description of the 2-wheeled mobile robots 54
10.2.2.3. Identification of the dynamic motion equations for the 2-wheeled mobile robots 60
10.2.3. Mathematical description of the robot’s motion 60
10.2.4. Navigation of the mobile robots 62
10.2.4.1. Introduction 62
10.2.4.2. Self-localization and pathplanning 65
10.2.5. Mechatronic description of the 2-wheeled mobile robots 73
10.2.6. Prototype testing 75
10.2.7. Proposal for a rapid prototyping environment for algorithms intended for autonomous mobile robot control 77
10.2.7.1. Introduction 77
10.2.7.2. AMIGOBOT mobile robot 78
10.2.7.2.1. ARIA and AMIGOSH software 80
10.2.7.2.2. Communication with a group of mobile robots 81
10.2.7.2.3. Software architecture 82
10.2.7.3. Development of the prototyping environment 83
10.2.7.4. Verification of the proposed solution 85
10.2.7.5. Conclusions 88
10.2.8. The group of 2-wheeled mobile robots 89
10.2.8.1. Overview of the groups of robots 89
10.2.8.2. The precise odometry navigation for the group of robots 91
10.2.8.2.1. Introduction 91
10.2.8.2.2. The model of computational formulation 92
10.2.8.2.3. The motion model 93
10.2.8.2.4. The multi-robot motion model 95
10.2.8.2.5. Observation model 95
10.2.8.2.6. Extended Kalman filter 96
10.2.8.2.7. Test rigs based on algorithms implementation 97
10.2.8.3. Conclusions 105
10.2.9. Control of a robots’ formation in unknown surroundings environment 105
10.2.9.1. Introduction 105
10.2.9.2. AMIGOBOT mobile robots sensors description 105
10.2.9.3. Hierarchical control unit 106
10.2.9.4. Hierarchical control system 107
10.2.9.5. Control of the robots formation 110
10.2.9.6. Verification of the results 112
11. Use of the mobile robots for inspection tasks 115
11.1. Moving-frame mobile robots 116
11.1.1. Overview of moving-frame mobile robots 116
11.1.2. Mathematical description of the moving-frame robots 117
11.1.2.1. Dynamics description 117
11.1.2.1.1. Simulation 121
11.1.2.2. Kinematics description 125
11.1.2.2.1. Simulation 125
11.1.3. Conclusions 127
11.2. Fixed track mobile robots 128
11.2.1. Overview of the track configuration systems 128
11.2.2. Kinematics description of the track mobile robots 129
11.2.2.1. Slip of the track 132
11.2.2.2. Kinematics of turning 133
11.2.2.3. Numerical verification of the kinematics model 136
11.2.2.4. Conclusions 140
11.2.3. Dynamic description of the track mobile robots 140
11.2.3.1. Simulation on the basis of the robot description 141
11.2.3.2. Conclusions 143
11.3. The controllable track configuration mobile robots 144
11.3.1. Overview of the controllable track configuration systems 144
11.3.2. Driving mechanism 145
11.3.3. Geometrical restrictions 146
11.3.4. Testing of Inuktun Microtracs in real environment 149
11.3.5. Simulation of Inuktun Microtracks in Abaqus software 151
12. Summary and final conclusions 153
12.1. Individual achievements included in the book 153
12.2. The Author’s contribution in the field of the mobile robots 154
12.3. Prospect of further work 155
Reference 156