(即RASC-AL探索Robo-Ops竞争。Robo-Ops)是一个工程竞争由NASA和由国家航空航天学院。在这个激动人心的竞争,本科生和研究生被邀请来创建一个多学科团队建立一个行星探测器原型并展示它的功能来执行一系列的任务领域拥有很强的竞争力在美国宇航局的约翰逊航天中心测试岩石院子里2013年6月。gydF4y2Ba
|gydF4y2Ba布拉斯加-林肯大学gydF4y2Ba
我们很幸运有机会炫耀一些领先的条目到RASC-AL探索Robo-Ops竞争。这里有5个设计报告:gydF4y2Ba
介绍gydF4y2Ba
Robo-Ops竞争邀请学生设计和建造一个遥控探测器原型遍历一个行星模拟环境在美国宇航局的约翰逊航天中心。竞争提供了一组需求,帮助抑制的设计团队,同时提供专业的一些因素,美国宇航局的工程师们面对每一个太空项目。探测器必须重量超过45公斤,必须融入一个1米* 1米x 0.5箱。从那个位置可能扩大,但它必须这样做。它需要能够收集岩石样本并能够遍历岩石直径10厘米。gydF4y2Ba
布拉斯加-林肯大学的学生(多人)成立了一个团队的强大的跨学科技能领域的机械、电气和计算机工程的竞争在这个竞争。gydF4y2Ba
这是多人Robo-Ops团队的统一目标设计和建造一个探测器,将满足竞争的需求。本报告有助于解释该探测器的主要系统以及计划推进设计时选择。gydF4y2Ba
策略gydF4y2Ba
探测器将开始火星山之上,它将快速的初始扫描区域。任何可见的磁轴承岩石记录是捡起。扫描完成后,探测器走向确定岩石的捕捉。如果没有见过石头,那么探测器探索周围的地形。GPS在罗孚开始记录位置形成这一特定地区的地图(岩石庭院,等等)。驱动完成通过使用固定的前置摄像头。摄像机上的桅杆不断用于调查周边地区。走近一块石头时,覆盖放在驾驶观点代表了近似空间的手臂。这样,罗孚并不停在可用的区段的手臂。罗孚停止后,运营商表示岩石的项目目标。 The forward facing cameras are used together to form a stereoscopic estimation for the location of the rock. Based on this information, the arm is automatically positioned above the rock. The final alignment and grasping task are completed by the operator. When the grasp is secured, the robot automatically moves the sample to the collection container and deposits it. After deposition, the arm moves to a holding position and the rover is ready to repeat the process.
机械系统gydF4y2Ba
罗孚平台是松散的,基于标准的样本返回探测器,图1所示。,从美国宇航局喷气推进实验室。这个探测器是同样的大小我们的探测器和使用一个被动的摇臂式悬架系统允许罗孚穿越障碍在一个轮直径的一半。与样本返回探测器,探测器将使用一个刹车转向系统来减少体重和探测器设计的复杂性。通过构建的罗孚轻质材料我们已经能够粗略估计整个探测器33公斤的重量。gydF4y2Ba
图1所示。样品从美国宇航局喷气推进实验室和返回探测器gydF4y2Ba
动力传动系统gydF4y2Ba
轮子:gydF4y2Ba
接受大小车轮超过10厘米的障碍是一个直径至少两倍。这样,障碍总是接近时尚,让它爬。这就导致了至少8英寸直径的车轮。分级轮的约束主要是适用于固定轮子的系统。该探测器具有两组车轮,每一个方面,提供了一个被动的平均暂停。通过这种方式,探测器可以爬障碍远远大于10厘米。gydF4y2Ba
车轮的困难是如何找到一个光和刚性材料。铣一个完整轮太贵,和大型管不提供许多优势。金属旋压是一个伟大的选择,但空白,也可以找到相对昂贵。被发现的替代金属铝炊具。这些锅10%金属旋转空白的成本,但提供相同的基本形状。底部四英寸的锅轮空白的必被剪除。gydF4y2Ba
锅里将提供结构和驾驶的基础。锅的外缘将涂有橡胶或泡沫层提供轻微的缓冲以及牵引光滑刚性表面。gydF4y2Ba
悬架:gydF4y2Ba
轮子的外直径的大小决定了障碍,可以超越。罗孚的攀爬能力可以进一步增强通过使用悬挂在每四个轮子。罗孚,微分摇臂系统选择。两边各有一个轮子是加入中央臀部,可以旋转相对于身体。这个系统被动平均两组车轮的角度(左和右)这样漫游者的身体倾斜更少。这个平均还允许更多的车轮接触期间保持攀升。gydF4y2Ba
通常有两种方法创建微分系统。第一个是用于喷气推进实验室最近的罗孚,好奇心,由一个旋转酒吧在罗孚的后面。这个酒吧机械夫妇左边和右边提供被动的平均。第二种方法,我们选择了一个探测器,是使用斜齿轮形成车轮之间的微分系统。这个建筑被选中,因为它提供的微分运动包,可以完全包含在身体。gydF4y2Ba
底盘gydF4y2Ba
要创建的框架是两种不同尺寸的方形铝管。主要的外壳是油管¾”广场。该油管提供充足的力量和将两套轮严格限制。括号内这个基础框架将½”广场油管。这个油管将用于支持电子,胳膊,相机桅杆。这些子系统是相对较轻的,可以在地方举行更轻的油管。gydF4y2Ba
进一步研究了减肥,因为它属于小孔的钻探管的轴线。只有轻微的重量减少可以实现广泛的工作,所以决定帧固体。实体墙油管和皮肤薄金属板,框架将重量大约十磅。准尺寸的探测器在其存放配置图2所示。gydF4y2Ba
图2所示。准尺寸罗孚在存放配置的视图gydF4y2Ba
手臂gydF4y2Ba
臂:gydF4y2Ba
手臂的设计是一个区域的讨论。简单的武器很容易构建但不灵活的能力。复杂的武器可以添加不必要的重量和费用。根据以往的经验在建筑机械手臂,一个复杂的挑战,但轻量级,手臂进行。gydF4y2Ba
手臂平行连杆基础决定了其定位能力三个马达在肩关节。手腕的运动提供了一个螺旋角和一个手促动抓紧器。这种并行系统旨在利用碳纤维管的强度和重量。这允许一个手臂重量不到一公斤,拾起一块石头四英尺的基地。整个系统是大小,包装上的探测器的能力。两个cable-capstan驱动器将用于前三个关节Fig。3。这种类型的驱动器创建没有反弹和很少的惯性。即使汽车变速箱产生的激烈反应,据估计只有0.1°将明显联合输出。此外,一个鼓之间可以共享两个马达在使用手臂的并行连接系统。gydF4y2Ba
图3所示。基地的手臂平行连杆和有线/ Capston关节。gydF4y2Ba
平行连杆,碳纤维管,和cablecapstan开车,这个探测器能够携带一个刚性臂和一个扩展长度超过4英尺。这大可及工作区显示为绿色区域在图4中,探测器位置不太关注,收集时间会减少。gydF4y2Ba
图4所示。探测器显示与手臂工作区gydF4y2Ba
抓紧器:gydF4y2Ba
抓紧器的设计会导致大量的选项。简单的设计包括桶或爪。桶责任者往往是大型农场和难以准确的地方,但他们大多数岩石的简单允许简单的皮卡。基于爪责任者包括两个或两个以上的手指。两指责任者是足够的,但用的手指,合规的把握运动增加,随着复杂性。两指抓紧器原型。这个设计被证明能够挑选目标的岩石,但控制岩石未必是安全的。兼容的泡沫指尖提供更安全的岩石变形到泡沫,增加了抓取力接触表面和分发。gydF4y2Ba
替代设计是正在测试,可以产生一个高度兼容的多手指抓紧器在一个简单的构建/驱动包。gydF4y2Ba
相机计划安装在提供反馈在手掌的基础定位。gydF4y2Ba
控制:gydF4y2Ba
具有多个自由度的手臂,有一组运动学描述端点的运动相对于每个手臂的角度。这些方程允许使用通用的幻影Omnis等控制设备。这些设备使很多自由作为一个接口,但由于控制器是通用的,精确控制臂不直观。为了实现一个直观的界面,手臂运动的计划。由于手臂的工作区,主人将建½大小。操作符将掌握的夹持端主人和直接控制手臂的关节角。gydF4y2Ba
相机桅杆:gydF4y2Ba
环境调查将通过使用桅杆安装摄像系统。相机桅杆将从其位置存放的电磁释放销控股气弹簧的张力钩在桅杆上。传统相机桅杆的安排包括一个摄像头和一个机械平移和倾斜装置。创建这种类型的设备允许操作员把相机每一个感兴趣的领域。这对改进子系统进行了讨论。gydF4y2Ba
倾斜的包容是先看着。使用倾斜决心很少用于测量。提出了替代机械平移。四个摄像头将包括展望未来,左,右。这些图像将分段组合和在电脑上探测器。部分这些图像将被发送到运营商基于虚拟平移角命令。gydF4y2Ba
提供足够的带宽,这四个摄像头图像可以提供全景缝合在一起的环境。在这种情况下,运营商的全面可视化领域没有可能缺少一个目标由于不完整的平移。gydF4y2Ba
电气系统gydF4y2Ba
探测器有三个电子系统包括运动控制系统,主要计算系统,辅助计算系统。主电源总线分配权力这些系统。gydF4y2Ba
运动控制系统gydF4y2Ba
探测器需要多个汽车开车和使用它的机械手臂。每个电机将连接到运动控制系统,由现成的电机控制器连接到主要的计算系统。gydF4y2Ba
汽车:gydF4y2Ba
探测器由两个独立的运动系统、驱动电机和手臂的汽车。两个系统的汽车选择Maxon无刷电机的高功率密度。选择汽车时必须考虑很多方面的应用,包括重量,当前消费,最高速度,力矩,和成本。计算关于所有这些方面都完成确定电机用于驱动探测器应该200 w Maxon无刷马达。类似的计算进行臂汽车的要求来确定,他们应该40 w Maxon无刷马达。所有汽车都将操作在一个名义24 V。gydF4y2Ba
电机控制器:gydF4y2Ba
现成的伺服驱动电机控制器用于控制探测器的马达。电机控制器的反馈系统必须能够提供至少驱动马达的速度控制和位置控制臂汽车。除了满足这些要求,控制器必须有一个简单的应用程序编程接口(API),它已被证明在工业使用Linux操作系统。目前正在探索的选择、数字伺服驱动器从艾尔摩电机控制和先进的运动控制似乎有前途。这些控制器可以通过USB或者连接到主计算机系统can总线。gydF4y2Ba
计算系统gydF4y2Ba
整个探测器的控制将通过一个主要机载计算机系统运行。这个系统将连接到命令电脑在互联网上贵校4 g LTE USB调制解调器。机载计算机控制将8 w嵌入式系统与一个英特尔Atom处理器,64 GB固态硬盘(SSD), 4 GB RAM。这个系统是一个非常低的功率和有效的系统,将能够阅读传感器和控制汽车。传感器,包括一个惯性测量单元和GPS,将连接到这台计算机通过USB和读入的控制软件。如果需要,可以连接到相机压缩并发送一个未加工的视频提要。gydF4y2Ba
罗孚的半自治模式依赖复杂的计算机视觉算法,将需要一个强大的计算机系统来运行它们。立体重建算法需要同时处理两个视频帧来确定图像中的一个点的深度。这两个图片是第一个编码和发送在4 g网络多人处理功能强大的计算机,或只有一个图像发送给多人,探测器上的处理。由于上传带宽(~ .4Mb / s)的4 g网络,我们决定最好是只发送一个视频帧在网络上有一段时间和处理探测器上。一个潜在的选择计算机来做这个处理是一个Mini-ITX系统65 w英特尔i7 - 3770处理器,16 GB的内存,64 GB的SSD。这个系统应该提供所有必需的力量小,强劲,节能方案。该系统将由一个12 v直流电源连接到总线。多个摄像头将连接到这个系统提供的图像计算机视觉算法。gydF4y2Ba
辅助计算系统gydF4y2Ba
有一些组件的罗孚不易与前面提到的计算系统界面的。例子包括绝对串行编码器的机械臂和一个电磁释放相机桅杆上的气弹簧。阅读和控制这些项目将使用嵌入式单片机系统。可能的选择包括Arduino或BeagleBoard系统。这些系统运行在一个5 v TTL电平,所以他们将采用5 v电源总线。gydF4y2Ba
电力系统体系结构gydF4y2Ba
电力系统必须能够提供足够的权力罗孚汽车、计算机系统、摄像头、传感器和其他设备。该设备将运行在三个不同的电压。汽车将运行在一个名义上的24 v的电池提供。计算机系统和电池管理系统将运行在一个监管12 v和5 v线将被添加到支持辅助计算系统。12 v和5 v电压将从24 v转换两个直流-直流开关转换器。估计电力系统的电力需求表1中详细。gydF4y2Ba
竞争要求探测器操作至少一个小时可能包括一个10分钟的修复干预。允许安全系数的电力需求,该小组计划有两个小时的操作时间。这需要一个电池组容量为550瓦特时(Wh)。系统中的最高电压是24 v汽车运行,因此节省重量电池组将设计的标称电压24 v。24 v的电池容量必须约23 Amp-Hours(啊),以满足550 Wh电力需求,包括直流转换器的低效率和电器元件。由于其高能量密度,探测器将定制的电池组装的锂离子或锂聚合物电池。细胞将被连接到一台计算机控制电池管理系统提供机载监视和平衡的细胞。内置充电端口将罗孚的框架,允许没有删除罗孚的电池组充电。电力系统架构图是图5所示。gydF4y2Ba
图5所示。电力系统架构的图表gydF4y2Ba
软件和编程gydF4y2Ba
软件控制探测器将基于机器人操作系统(ROS)分布式计算体系结构由“柳树车库”。这个体系结构允许将罗孚的代码分开在多台机器上。这是有用的,因为团队将从探测器上的两台计算机依赖信息手动控制它在因特网上从一个指挥中心电脑多人。这三个计算机系统必须共同努力,为控制探测器提供所需的所有信息。ROS允许无缝这些计算机之间的通信。gydF4y2Ba
探测器的控制指挥中心的电脑会发生多人。这台电脑将提供一个控制接口,以驱动程序的形式图形用户界面(GUI),游戏机控制器(例如Xbox控制器),和一个运动学上地匹配机器人手臂控制器。代码阅读控制器将用c++和Python编写的。GUI将包括几个显示器,包括从罗孚遥测数据,地图与当前探测器的标题,并从探测器上的摄像头视频。GUI要么是用Python或Java编写。岩石时,以帮助确定视频饲料,OpenCV将用于编写一个程序,将挑出独特的岩石的颜色和提醒司机当他们出现。该算法将用c++写的,让它快速的操作时间。gydF4y2Ba
电脑上的探测器将使用控制信息从指挥中心发送来控制在罗孚汽车和其他系统。这台电脑也将从汽车司机,读取传感器信息的惯性测量单元,GPS,辅助单片机发送到指挥中心。这些程序要么是用c++写的或Python。gydF4y2Ba
辅助单片机将在绝对编码器用于读取和控制电磁阀。这段代码将嵌入式C语言编写的。gydF4y2Ba
视频反馈探测器将由一个单独的高性能的计算机处理和压缩在罗孚致力于计算机视觉任务。这台电脑将会连接到探测器的相机和压缩和流视频选择指挥中心。这些项目将用c++写的,因为增加的速度相比,它提供了Python。gydF4y2Ba
除了使用机器人手臂运动学上地匹配控制器,手臂将能够进行半自动控制通过使用位置信息从一个立体重建算法。这个过程开始时,探测器发送一个视频从一个驱动器驱动一对立体相机的摄像头在探测器上。指挥中心计算机将收到这个视频提要并显示它的GUI。当岩石被司机开车相机视频饲料,他们可能会用鼠标点击它的像素数量点击发送回探测器上的计算机视觉系统,重建算法决定了岩石的三维位置。探测器将使用手臂运动学,自主移动计算点右边的手臂在岩石之上。用户将控制臂捡起那块小石头。这个算法的软件会用c++写的。ROS架构的图表显示在图6。gydF4y2Ba
我们的系统的好处gydF4y2Ba
简单的打滑驾驶gydF4y2Ba
有几个主要的方法指导,可以使用这样的探测器。多个方法允许精确转向通过允许偏航运动至少有两个轮子。虽然这是有益的,它是确定该系统的增加重量和复杂性使得这种方法不切实际。gydF4y2Ba
立体的映射gydF4y2Ba
机载计算机是致力于视觉采集和识别。开摄像头是一对固定之一,前置摄像头。这些将用于立体的方式来提供单帧深度信息。这些信息将被用于自动化一些手臂的运动。gydF4y2Ba
摇滚是接近和罗孚停止时,操作员可以选择所需的岩石来掌握。深度信息将用于自动移动手臂上方目标岩石。最后的方法,掌握将由操作员手动完成。gydF4y2Ba
自动岩石沉积gydF4y2Ba
岩石被抓住后,操作员可以启动一个序列,将自动沉积岩石的存储容器,然后将手臂移动到默认位置探测器信封内,手掌前面临的相机。gydF4y2Ba
相机覆盖gydF4y2Ba
我们的探测器将使用高清晰度摄像机扫描的it环境。结合人工筛选和选择颜色过滤将允许彩色岩石更容易挑选。当接近一块岩石,一个信息预计可达工作空间的覆盖会通知司机的胳膊。这样毫无疑问如何关闭探测器需要。gydF4y2Ba
备用的手臂使用gydF4y2Ba
手臂的长度,手掌上的摄像头使它成为一个非常通用的工具。手臂可以检查所有部件的罗孚的相机。这种能力将在必要时提供风险camera-type反馈。开车时,手臂可以提高到5英尺作为第二相机桅杆。这提供了一个更高的角度,另一个视图驾驶和测量。gydF4y2Ba
全球定位系统(GPS)的映射gydF4y2Ba
探测器的运动在一个特定区域不得进行任何形式的效率,因为它在很大程度上是一个随机搜索。跟踪一个粗略的路径基于GPS数据将允许操作员检查已经搜查了整个环境。这些信息也将宝贵的收集后迅速恢复运输区岩石。gydF4y2Ba
创新的重量和降低成本gydF4y2Ba
探测器的限制重量非常美国国家航空航天局的目标和核心任务。而最大是45公斤,这个设计的目标被设定为小于30公斤。保持体重,专为保持良好的机械子系统的设计实践在创建组件是轻量级和要求没有加工。使用标准尺寸的材料加工的限制。也在想外面标准材料的约束导致了炊具的使用车轮和聚氨酯泡沫不断扩大的强化。gydF4y2Ba
估计预算gydF4y2Ba
一个保守的罗孚来到20000美元的成本估计。与竞争资金的10000美元,剩下的小组已经发现了外部融资成本。依赖于我们接受到竞争,内布拉斯加州的美国宇航局太空格兰特财团将提供5000美元的额外资金。内布拉斯加州大学——林肯的机械和材料部门也提供了一个额外的2500美元的资金。剩下的2500美元的资金被发现从当地公司作为加工的实物捐赠,制造和材料。表2中提供了一个成本分析。gydF4y2Ba
教育和公共宣传gydF4y2Ba
实现教育和公共宣传目标的竞争,团队将与工程学院的合作交流办公室。这个办公室的职责是帮助宣传,促进学院的学生活动。这包括设置网页、社交媒体网站,写新闻文章。与他们的帮助团队将能够满足教育和公共宣传目标的竞争。gydF4y2Ba
我们已经安排了展览漫游者在美国公民机器人比赛在奥马哈,内布拉斯加州的3月初。半岛app官网这个事件带来了500 - 700名学生,成绩5 - 12以及600 -来自美国各地的700名观众一起对机器人很感兴趣。半岛app官网这是一个很好的活动,展出由于罗孚是提醒人们,航空航天应用程序的好途径机器人技术及其相关领域的延续。半岛app官网这个探测器的使用将有助于进一步激发形形色色的学生留在干细胞领域。gydF4y2Ba
连接也与当地,初中和高中的科学老师已经同意让我们证明了探测器在其类。进一步的示威活动将在大学天文学周末的博物馆。gydF4y2Ba
时间轴gydF4y2Ba
初步时间表,项目分为五个子类包括,机械,电气,软件,推广,和竞争的需求。这些活动的时间表是显示在图7。gydF4y2Ba
团队gydF4y2Ba
所有的团队成员获得了多样化的技能在执行先进的外科技术的学术研究实验室布拉斯加-林肯大学的。每个带来一个独特的视角和的技巧使他们有利于团队作为一个整体。gydF4y2Ba
乔·巴特尔是研究生电子系统和编程经验。他是这个团队的领导者,将专注于电探测器和编程的一面。他已经在美国宇航局喷气推进实验室的经历,在流动性和机器人系统组。gydF4y2Ba
汤姆在计算机视觉技术和弗雷德里克背景ROS的使用。他在洛克希德马丁空间系统工业经验。他将导致机械设计和ROS的实现。他也是一个在贵校研究生。gydF4y2Ba
Eric Markvicka有经验在嵌入式控制和控制理论作为研究生研究助理。他对球队在加工和机器人控制方面的经验。他取得了在约翰逊航天中心的经历外,蜜蜂机器人,NASA喷气推进实验室。半岛app官网gydF4y2Ba
卡尼还Lackasis研究生和将导致探测器的设计和建造过程的胳膊。这项工作将依靠他通过其他航空航天项目的经历,包括张仁Design-Build-Fly竞争。gydF4y2Ba
团队也有两个大学生,沃尔特·伯奇主义分子和马克赖兴巴赫。都有精密设备的机械和电气设计经验。他们将在这两个领域贡献并获得编程经验。gydF4y2Ba
资源gydF4y2Ba
罗孚的创建是一个集中的过程,需要大量测试和创造。由于这个原因,有设施可供项目成功完成这个过程是至关重要的。团队直接访问基本工具(上钻扳手,钻床、砂轮机、小孔,等等)以及一些小型车床和磨加工工具。团队已经接触本地机器商店完成更复杂的部分。一个成功项目的一部分是有效的预算,所以团队的访问一个低功率激光切割机和3 d打印机将大大提高有效性和效率能够创造廉价的原型。gydF4y2Ba
图7所示。初步时间表探测器的发展,值得关注的比赛日期gydF4y2Ba
内容与本文作者的意见,不一定代表RoboticsTomorrow的观点半岛app官网gydF4y2Ba
评论(0)gydF4y2Ba
这篇文章没有任何评论。成为第一个在下面留下你的评论。gydF4y2Ba
特色产品gydF4y2Ba
