Мы создаем самого дешевого в мире сельскохозяйственного робота. Конструкция, которая была создана для его платформы, должна найти применение в нескольких других областях, включая: строительство и производство.
Главные требования к нашему роботу: (1) он должен быть по достоинству оценен, чтобы его могли позволить себе люди, которые больше всего в нем нуждаются. Крупные фермеры, хотя он должен быть полезен и для них, уже имеют другие машины, на которые они могут положиться. (2) Масштабируемость. Под масштабируемостью мы подразумеваем, что она может использоваться как на малых, так и на больших фермах.
1. Стоимость
Большинство точных машин попадают в класс, который классифицируется как стационарные роботы. Они имеют неподвижный стол и некоторые средства управления концевым эффектором для достижения определенных перемещений или вращений по нескольким осям. Концевой эффектор перемещается относительно стола. Его положение определяется относительно некоторой точки отсчета на основании. Возможна и обратная схема, когда концевой эффектор фиксируется на некоторых осях, а стол перемещается вдоль или вокруг этих осей.
Для достижения высокой точности и аккуратности неподвижные роботы требуют:
- рамы с высокой степенью обработки
- Приводы, которыми можно точно управлять.
- Опционально, система управления с замкнутым контуром. Системы управления с разомкнутым контуром, использующие шаговые двигатели, с успехом применяются в 3D-принтерах.
Но многие из этих стационарных роботов, даже если они имеют небольшие размеры, довольно дороги. Именно по этой причине существуют такие места, как GearBox, куда вы идете и платите за использование даже самых простых машин. Если бы стоимость этих машин можно было снизить, пусть даже ценой разумной жертвы точностью и другими параметрами качества, они помогли бы подстегнуть творчество и большее изобретательство. Именно для этого мы и разрабатываем дизайн.
Эти машины дороги по целому ряду причин. Для нас интересны следующие:
- Выбор материала. Так, например, в Farmbot для рамы используется дорогой алюминий, в то время как для сельскохозяйственных работ не требуется точность точно обработанного алюминия. Решением для этого является использование композитной рамы, состоящей из алюминия и другого более дешевого материала. Например, сталь может быть тяжелее, но она легкодоступна и дешевле.
- Излишний материал. Некоторые роботы используют больше материала, чем им нужно. Как и в случае с farmbot, он использует больше алюминия, чем нужно для его рельсов и порталов. Рельс farmbot max полностью состоит из алюминиевого V-образного паза. Его структурная целостность не пострадает, если отказаться от части алюминия. Можно уменьшить количество этого дорогостоящего материала даже наполовину.
- Большие размеры. Когда машина предназначена для работы на некотором рабочем пространстве, она строится так, чтобы покрыть всю эту площадь. О преимуществах составного робота почти никто не вспоминает.
- Место производства и предполагаемый рынок. Машины, разработанные и изготовленные для западных рынков, всегда слишком дороги для нас.
А вот и решения:
i. Местное проектирование и производство. Вот наиболее очевидное средство снижения стоимости этих роботов. Ведь здесь они найдут менее ценные технические и нетехнические навыки, что снизит себестоимость их производства. Производственные затраты зависят не только от стоимости производства, но и от затрат, понесенных на этапе проектирования. Чем быстрее мы начнем сами проектировать и производить роботов, тем скорее они появятся в наших хозяйствах.
ii. Дорогостоящий точно обработанный материал для рамы для осей для роботов с картезианскими координатами может быть значительно сокращен. Это достигается следующими шагами: (i) Длина поперечной направляющей, которую несет рама, увеличивается до Lc. Существует минимальная длина рамы, которая может поддерживать поперечную горку. Эта длина равна Lf. (ii) Рама разбита на секции длиной Lf и на расстоянии Lc - Lf друг от друга.
Голубой Cyan на изображении представляет Lc, а красный Red представляет Lf. Black представляет менее дорогой материал.
Вы можете увидеть это в действии здесь на youtube.
Общая длина дорогого материала, необходимого для каркаса, составляет: nLf для длины каркаса, равной nLc - Lf. Общая экономия равна:
n(Lc-Lf)-Lf
Чем больше Lc, тем больше экономия. Сделайте его настолько большим, насколько позволит нагрузка.
Это отвечает на проблему лишнего материала, а также выбора материала. На места, где был удален дорогой материал, можно поставить менее дорогой материал, представленный на рисунке черным.
iii. Уменьшение размеров робота и обеспечение его масштабируемости путем превращения его в составного робота, о чем пойдет речь в следующем разделе.
2. Масштабируемость
Очевидный способ заставить неподвижного робота работать на площади, превышающей его рабочее пространство, — поставить его на колеса или на ноги с помощью любого шагающего механизма. Но колесо было разработано для перемещения полезной нагрузки из одного места в другое с очень низкой точностью. Оно не предназначено для точной робототехники.
Колеса проскальзывают, когда ось переводится на величину, не равную перемещению по окружности колеса. Например, при остановке движущегося колеса, колесо блокируется и не вращается, но оно будет двигаться на некоторое расстояние до остановки. Точно так же, когда колесо очень быстро разгоняется, оно создает силу, которая может преодолеть статическое трение и заставить его вращаться. Коэффициент трения между поверхностью и колесом также не является постоянным, что затрудняет управление.
Преимуществами колеса являются (1) скорость, (2) энергоэффективность, поскольку оно не перемещает полезную нагрузку вертикально относительно земли, как это делают некоторые шагающие механизмы (3) масштаб: колесо может двигаться куда угодно, в отличие от стационарных роботов. Но из-за проскальзывания оно плохо справляется с точностью. Поэтому для использования в точных роботах необходимы очень сложные системы управления для коррекции ошибок в его перемещении. Эти системы управления имеют внутри себя не менее сложные системы датчиков, которые называются «слияние датчиков», LIDAR, GPS и т.д. Системы управления с разомкнутым контуром здесь не могут быть использованы. Это означает, что в робототехнике колесные системы являются дорогостоящими, если используются в прецизионных роботах.
Группируя роботов по категориям, основанным на их мобильности, мы имеем (1) стационарных роботов и (2) мобильных роботов. Но колесо, его преимущества и недостатки, является моделью мобильного робота, поскольку по большей части мобильность робота достигается путем постановки его на колеса. Неподвижные роботы, с другой стороны, используют жесткую структуру для ограничения полезной нагрузки (на концевом эффекторе) для достижения желаемой точности. Жесткая конструкция представляет собой высоко и точно обработанный материал, такой как толстая сталь или алюминий. Но такие материалы стоят недешево. Поэтому экономически невозможно масштабировать неподвижного робота до разумных размеров для нескольких применений вне помещений, например, для сельского хозяйства. Случай с отказом сигнала Farmbot Max хорошо иллюстрирует это. Хотя кабельные системы могут быть получены при более дешевых материальных затратах, что позволяет охватить большее рабочее пространство, они также имеют предел, за который их нельзя расширить.
Ниже перечислены преимущества и недостатки мобильных роботов на колесах:
| Преимущества | Недостатки |
|---|---|
| Масштабируемость. Колеса могут проехать куда угодно | Низкая точность |
| Высокая скорость, по сравнению с шагающими механизмами | Сложные системы управления |
| Простая конструкция | Очень дорогой |
Для стационарного робота:
| Преимущества | Недостатки |
|---|---|
| Высокая точность | Не масштабируется |
| Возможно управление в разомкнутом контуре | Необоснованно малый масштаб для сельскохозяйственного применения |
| Невысокая стоимость при небольших размерах |
Решение
Решение заключается в разработке составного робота. Таким образом, мы получаем точность стационарных роботов и избегаем затрат, связанных с мобильными роботами. Но поскольку стационарный робот уже установлен на месте, работа по проектированию сводится к поиску средств перемещения жесткой рамы стационарного робота из одной точки отсчета в другую.
Небольшая разница между этим составным роботом и мобильным роботом заключается в том, как перемещаются ноги в зависимости от движения полезной нагрузки. В мобильных роботах непрерывное движение полезной нагрузки требует непрерывного движения исполнительной системы, которая может представлять собой некоторый набор ног или колес. Именно движение исполнительной системы приводит к перемещению полезной нагрузки.
Однако в составном роботе нет связи между движением полезной нагрузки и ног. Например, непрерывное движение полезной нагрузки сопровождается прерывистым движением ног. Это означает, что в отличие от мобильных роботов, где скольжение может произойти в любой момент, в составных роботах скольжение отсутствует, когда робот перемещается из одного небольшого рабочего пространства в другое. Если можно придумать средство для заземления неподвижной рамы робота достаточно сильно, чтобы преодолеть любое скольжение, которое может возникнуть во время работы, то проблема скольжения будет решена. Рама может быть заземлена во время отдыха.
Некоторые предложения по механизмам для превращения стационарного робота в составного робота можно найти здесь, на github. 
Эти предложения относятся к классу механизмов, которые легко спутать с шагающими механизмами, но это не шагающие механизмы. Они представляют собой класс механизмов, которые мы назвали механизмами Брайана. Разница между ними обсуждается в статье Механизм Брайана — что это такое