Крутите колесо: как аспирант ИТМО ищет способ решить проблемы роботов на базе Mecanum колес и расширить их применение

Mecanum колеса обеспечивают высокую маневренность, при этом позволяют отказаться от использования сложных и дорогих рулевых механизмов. В теории звучит отлично, но на практике широкое распространение они пока не получили. Причина ― в довольно большом количестве недостатков подобных систем. На факультете систем управления и робототехники ИТМО пытаются преодолеть эти проблемы. Аспирант Дмитрий Захаров построил всенаправленную Mecanum платформу оригинальной конструкции и исследует особенности ее эксплуатации, чтобы сделать идею более применимой в самых разных областях ― от складской логистики и промышленности до помощи маломобильному населению.

Что такое Mecanum колеса

Mecanum колесо ― идея из середины XX века. В отличие от обычного колеса, Mecanum снабжено роликами, расположенными по периферии, которые устанавливаются под углом 45 к плоскости колеса и могут свободно вращаться вокруг своей оси.

Конструкция колеса позволяет совершать на транспортном средстве движения сложной механической природы (голономные движения), не используя рулевые механизмы или развороты по танковой схеме.

С помощью Mecanum колес можно создавать всенаправленные платформы, которые могли бы найти применение в любых сферах, где на малой площади нужно задействовать большое количество роботов или роботов и людей одновременно. Кроме того, есть проекты по использованию Mecanum колес в марсоходах, в креслах для малоподвижного населения, в складской технике, роботах-доставщиках и так далее.

За счет своей конструкции Mecanum колеса считаются грузоподъемными, так что они могли бы широко применяться в складской и промышленной логистике. И отдельные примеры в промышленности уже есть ― например, платформа Kuka, которая используется для транспортировки сверх-массивных деталей на производстве. 

Недостатки конструкции

Однако при всех достоинствах у всенаправленных платформ на Mecanum колесах есть  ряд существенных недостатков. Из-за того что ролики свободно вращаются, Mecanum платформы являются неполноприводными системами. Хотя управлять можно всеми колесами, остается и ряд проблем:

• Проскальзывание. Даже если платформа едет по прямой на идеально ровной поверхности, появляется проскальзывание. Это приводит к тому, что классическими методами одометрии (то есть посчитав количество оборотов двигателя и зная диаметр колеса) измерить пройденное расстояние и определить смещение платформы с высокой точностью невозможно. 

• Низкая энергоэффективность. Платформа на Mecanum колесах проедет заведомо меньше, чем обычная колесная техника при той же энергии, затраченной на вращение двигателя. Особенно это выражено в движениях вправо, влево и по диагонали.

• Высокие требования к рабочей поверхности. Все преимущества Mecanum колес ломаются, как только речь идет о неидеальной поверхности. Движение роботов на Mecanum колесах по неровной поверхности создает повышенные вибрации, значительно снижает энергоэффективность (при том, что такие роботы и так значительно уступают обычным колесным платформам). Камни, песок и грязь могут заблокировать или изменить скорость вращения роликов, меняя конфигурацию мобильного робота, значительно затрудняя управление им. 

• Движение на наклонной поверхности. Даже если заблокировать вращение самих колес, из-за роликов платформа будет скатываться с наклона под углом.

• Неэффективное торможение. В промышленности уже используются всенаправленные роботы на Mecanum колесах, но все они двигаются довольно медленно, это связано с обеспечением безопасности (все по той же причине ― ролики просто проскальзывают. В экстренной ситуации при высокой скорости робот может заблокировать колеса, однако вращающиеся ролики по инерции заставят его двигаться дальше).

• Малая площадь контакта колеса с поверхностью (в отличие от обычного колеса, особенно с резиновой покрышкой).

Поэтому при всем потенциале Mecanum платформ, для их более широкого внедрения необходимо исследовать и дорабатывать механическую и программную часть этих роботов. 

Платформа для экспериментов

Один из таких проектов с 2019 года ведет со своей командой аспирант факультета систем управления и робототехники ИТМО Дмитрий Захаров. В арсенале специалистов есть разработанная платформа собственной конструкции, которая позволяет легко проверять гипотезы по доработке и апробировать различные решения. Начав проект еще в магистратуре, он продолжает совершенствовать его, предлагая новые идеи.

Собственная конструкция колеса

За время существования Mecanum колес было опубликовано много работ, описывающих их кинематику и динамику, а в интернете можно найти схемы и чертежи различных готовых конструкций. Но все они предполагают детали сложной формы, для изготовления которых нужно специфическое оборудование. 

Дмитрий Захаров разработал свою конструкцию колеса. Главной особенностью и преимуществом предложенной схемы является то, что колесо состоит из геометрических примитивов, то есть все детали можно произвести из металла на самом доступном оборудовании ― трехосевом фрезере, токарном станке, станке лазерной резки. Использовать специальные делительные головки, пятикоординатные станки, трубогибы или литье не нужно.

Разработанную конструкцию команда Дмитрия Захарова воплотила в жизнь ― часть деталей распечатали из пластика, купили прутки и нарезали на них резьбу, нашли подходящие подшипники. Фактически, это работающий прототип. В перспективе есть идея сделать аналогичное колесо из алюминия ― для него уже рассчитали допустимые нагрузки. Согласно моделированию в Ansys, одно такое колесо диаметром 200 мм способно выдержать 100 кг в статике без деформаций за счет распределения нагрузки на сечение детали крепления роликов и использования подшипников.

От колеса к платформе

Разработав колеса, Дмитрий Захаров перешел к проектированию и реализации платформы. Из алюминиевого профиля выпилил и собрал каркас, использовал недорогие двигатели Nema 17 и Arduino, чтобы ими управлять. Однако первой версии не хватило мощности. 

Следующую версию собрали уже на более подходящих компонентах и к 2022 году платформа наконец поехала.

Колеса аспирант разместил по Х-образной схеме, когда одинаковые (лево-направленные и право-направленные) располагаются по диагонали друг от друга этим же обоснованы разные цвета колес, чтобы ничего не перепутать. В опубликованных работах этот вариант оказался почти не описан, поэтому кинематику пришлось выводить с нуля, учитывая также положительное и отрицательное направление вращения шаговых двигателей.

Сейчас платформа готова и представляет собой полностью рабочую базу для отработки системы управления и различных улучшений. За счет использования геометрических примитивов ее можно легко повторить. А так как внутри колес нет активных элементов, ее можно масштабировать в широком диапазоне размеров.

Система управления

Сложность управления Mecanum платформами заключается в том, что Mecanum робот является неполноприводной системой с перекрестными связями в канал управления, кроме того, как уже упоминалось, для таких объектов характерно проскальзывание роликов. Отдельно стоит выделить проблему локализации для таких систем. Для обычных колесных роботов часто используют одометрию ― метод, при котором мы можем определить изменение положения робота, посчитав количество оборотов его двигателей и зная диаметр колеса. Но этот метод неприменим для всенаправленных роботов на роликонесущих колесах (из-за проскальзывания роликов мы не можем понять, куда на самом деле уехал робот).

Подобные системы управления ― сильная сторона научной школы факультета систем управления и робототехники ИТМО. До начала проекта у Дмитрия уже был опыт, который он как раз получил на факультете: полтора года аспирант работал над проектом фундаментального научно-исследовательского гранта РНФ «Развитие методов управления автономным движением маломерных роботизированных плавательных средств» ― разрабатывал и имплементировал адаптивные и робастные методы для систем, у которых есть перекрестные связи в каналах управления (всенаправленные платформы и надводные робототехнические системы). 

По сути там пришлось решать те же задачи точного позиционирования и слежения за траекторией. И некоторые сформулированные тогда идеи были воплощены в Mecanum платформе. В частности, удалось имплементировать классический ПИД-регулятор, последовательный компенсатор и регулятор на базе наблюдателя с высоким коэффициентом усиления. Все они более-менее справляются с управлением платформой. 

В качестве примера движение платформы по синусоиде.

Как и в проекте корабельной навигации, схему управления для Mecanum платформы собрали в MATLAB Simulink. Высокоуровневое управление осуществляется при помощи Raspberry Pi 4, а за низкий уровень отвечает Arduino Uno. Потребовалось некоторое время, чтобы эти компоненты начали стабильно друг с другом работать, но сейчас все функционирует. 

Обратную связь в контуре управления обеспечивает система технического зрения, реализованная через веб-камеру, данные с которой обрабатываются на компьютере с помощью Python. Техническое зрение позволяет определить координату Aruco-маркера, размещенного на платформе, а также угол его поворота ― для управления этих данных достаточно. 

Система управления позволяет платформе ездить по точкам или решать задачу слежения за траекторией. Лучшая точность, которой удалось добиться, ― 10-15 мм отклонения от заданной траектории. Это хороший результат с учетом вибрации Mecanum колес, отклонений камеры и маркера, прикрепленного к платформе.

Команда Дмитрия Захарова продолжает развивать систему управления платформой, используя более современные подходы. Один из коллег из ИТМО защитил диссертацию по одномаяковой навигации при недостатке априорной информации, где прорабатывал методы управления для системы, которая не знает свое положение, но может получить расстояние до условного маяка. И эту работу в данный момент адаптируют для использования на Mecanum платформе. Уже есть первые результаты эксперимента, где мобильный робот должен проехать по траектории, виртуальный маяк находится за кадром, робот не знает своего положения, но идентифицирует его, основываясь на информации о расстоянии между ним и маяком. Процесс идентификации можно наблюдать в начале движения и на графиках.

Как планируют бороться с недостатками: подходы

Платформа функционирует, а значит с ней можно проводить исследования, цель которых ― расширить возможности применения подобных конструкций.

Визуальная одометрия

Сейчас для контроля местоположения платформы используется техническое зрение. Это обратная связь для системы навигации. Камера размещена на потолке помещения, она снимает маркер, закрепленный на поверхности платформы. Такое техническое зрение отлично работает, но не позволяет использовать платформу вне этого помещения.

Идея команды Дмитрия Захарова в том, чтобы отказаться от камеры, но на саму платформу установить датчик, работающий по принципу компьютерной мыши. Так можно будет получать точную координату, не используя внешнее зрение.

Блокировка роликов

Подобные идеи уже описывались в статьях ― временно блокируя ролики, можно переконфигурировать платформу из всенаправленной в обычную колесную. Это поможет сделать движение робота эффективнее и позволить ему не соскальзывать с наклонных поверхностей.

В научных работах высказывались идеи блокировать ролики при помощи клиньев, но описаны они очень поверхностно (например, можно почитать здесь). Команда разработала свой способ блокировки с помощью пневматического устройства, способного управляемо равномерно воздействовать на все ролики с необходимой силой. Для подачи сжатого воздуха в колесо используется поворотный штуцер.

Для реализации данного предложения была переработана структура платформы.

Предложенный метод позволяет блокировать ролики полностью или частично, причем делать это довольно быстро. Это позволит платформе двигаться по наклонной плоскости, осуществлять экстренное торможение и в целом перемещаться более эффективно с точки зрения автономности мобильных роботов.

Преимущество метода в том, что на роликах или самом колесе нет никаких активных элементов ― то есть реализовать идею просто и недорого, а еще подход можно применить к разным типоразмерам колеса ― в том числе довольно компактным, не испытывая при этом сложностей с размещением внутри колеса электромагнитов или других элементов. Однако подробно исследовать динамику еще только предстоит.

Так как работа находится в стадии исследования и доработок, конструкцию команда пока не публикует.

В прошлом году исследования, посвященные повышению применяемости мобильных роботов на Mecanum колесах от Дмитрия Захарова, были представлены на крупной международной конференции World Congress of the International Federation of Automatic Control (IFAC 2023). Конструкция колеса, идея физической и программной модульности платформы, а также концепция лазерного датчика описаны в статье. Также статью о разработке роботизированной мобильной платформы с гибридной голономностью приняла к публикации конференция IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2024) ― одна из крупнейших в мире в области робототехники. Дмитрий Захаров примет участие в конференции в Абу-Даби при поддержке Альфа-Банка, который профинансирует поездку и участие.

В ближайшее время команда планирует продолжить работу над созданием роботизированной мобильной платформы с гибридной голономностью на базе роликонесущих колес Mecanum типа. В качестве основы будут использовать уже разработанную платформу. По сути это разработка гибридной робототехнической системы, способной адаптироваться к различным условиям функционирования (наклонная или неровная поверхность). Это расширит возможности применения роботов Mecanum типа. Также в планах команды ― разработать подвеску для платформы, которая обеспечит возможность движения по неровным поверхностям, защитит элементы робота от повышенных нагрузок и снизит вибрацию всей конструкции.