RU2810208C2 - Delivery robot on single-axle chassis - Google Patents

Abstract

FIELD: robotics.

SUBSTANCE: invention of a delivery robot on a single-axle chassis relates to robotics and is intended for the delivery of various household items or life support by land. The delivery robot is an autonomous self-propelled crew on a wheeled chassis equipped with a communication device, remote control, computer vision system with video cameras and infrared, ultrasonic and laser sensors, navigation and positioning systems with or without lidar, energy sources and a lid-closing body for placing delivered objects. At the same time, the robot invention, a delivery robot on a single-axle chassis, refers to robotics and is designed to deliver various household items or life support by land. The delivery robot is an autonomous self-propelled crew on a wheeled chassis equipped with a communication device, remote control, computer vision system with video cameras and infrared, ultrasonic and laser sensors, systems the deliverer is aggregated on a statically balanced two-track two-wheeled chassis with an inverted U-shaped carrier frame, the body is equipped with guides based on rollers or linear bearings placed on the carrier frame of the delivery robot structure with the possibility of longitudinal displacements of the delivery robot body relative to the wheel axis under the action of a drive controlled by a torque coupling with the resulting torque on the wheels.

EFFECT: delivery robot is able to move at high speeds over flat areas and overcome slopes and stairs.

5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение робот-доставщик на одноосном шасси относится к роботостроению и предназначено для применения в качестве автономного робота-курьера в ритейле, в системах обслуживания и в иных сферах жизнедеятельности, связанных с транспортировкой малогабаритных посылок на последнем этапе доставки различных предметов обихода или жизнеобеспечения наземным способом.The invention of a delivery robot on a single-axis chassis relates to robotics and is intended for use as an autonomous robot courier in retail, in service systems and in other areas of life related to the transportation of small-sized parcels at the last stage of delivery of various household items or life support items by ground.

Известны роботы-доставщики, представляющие собой самоходные автономные экипажи на статически уравновешенных или статически неуравновешенных колёсных шасси, оснащённые устройством/устройствами связи, дистанционного управления, системой/системами компьютерного зрения, системами навигации и позиционирования с лидаром или без него, источниками энергии и закрывающимся крышкой кузовом для размещения доставляемых объектов. Delivery robots are known, which are self-propelled autonomous vehicles on statically balanced or statically unbalanced wheeled chassis, equipped with a communication device/devices, remote control, computer vision system/systems, navigation and positioning systems with or without lidar, energy sources and a body that can be closed with a lid. for placement of delivered objects.

Существующие концепты роботов-доставщиков на шагающих или гусеничных шасси. Existing concepts of delivery robots on walking or tracked chassis.

Недостатки существующих аналогов вследствие низких технико-эксплуатационных характеристик при высокой стоимости не могут составить конкуренцию роботам-доставщикам на колёсных шасси и не рассматриваются в качестве аналогов изобретению. The disadvantages of existing analogues due to low technical and operational characteristics at high cost cannot compete with delivery robots on wheeled chassis and are not considered as analogues of the invention.

Известные роботы-доставщики на колёсных шасси имеют общий для всех недостаток, заключающийся в недостаточной подвижности, ограничивающей применимость роботов-доставщиков. Known delivery robots on wheeled chassis have a common disadvantage: insufficient mobility, which limits the applicability of delivery robots.

Недостаточная подвижность известных роботов-доставщиков обусловлена свойствами используемых шасси и проявляется в ограничениях управляемости, маневренности, проходимости и скорости перемещения роботов-доставщиков по местности со сложным микрорельефом. За исключением робота-доставщика REV-1, известные роботы-доставщики не способны преодолевать характерные для территорий городов препятствия типа «уступ» и лестницы со ступеньками, не способны перемещаться по заснеженным дорогам и по местности со слабосвязным грунтом. The lack of mobility of known delivery robots is due to the properties of the chassis used and is manifested in limitations in the controllability, maneuverability, cross-country ability and speed of movement of delivery robots in terrain with complex microrelief. With the exception of the REV-1 delivery robot, known delivery robots are not able to overcome obstacles such as “ledges” and stairs with steps that are typical in urban areas, and are not able to navigate snow-covered roads and areas with weakly cohesive soil.

Также, недостатком известных роботов-доставщиков, является низкая энергоэффективность из-за высокого сопротивления движению колёс малого радиуса и изменения направления движения бортовым поворотом. Бортовой поворот, также, не обеспечивает высокой управляемости и наблюдаемости управления, необходимых для управления движением робота в автономном движении. Указанные ограничения подвижности и управляемости известных роботов-доставщиков ограничивают их способность замещать людей-курьеров и, тем самым, снижают применимость. Also, a disadvantage of well-known delivery robots is low energy efficiency due to the high resistance to movement of small radius wheels and changes in the direction of movement by skidding. Skid steering also does not provide the high controllability and control visibility required to control the robot's movement in autonomous motion. These limitations in the mobility and controllability of known delivery robots limit their ability to replace human couriers and thereby reduce their applicability.

Наиболее близким изобретению по совокупности технико-эксплуатационных и потребительских свойств является единственный известный робот-доставщик с удовлетворительной подвижностью REV-1, агрегатированный на трёхколёсном шасси [https://www.tadviser.ru/index.php/ Продукт:REV-1_(робот-доставщик)]. Повышенная по сравнению с другими известными роботами-доставщиками подвижность REV-1 обусловлена использованием колёс большого диаметра, которые за счёт большей опорной проходимости, чем у колёс малого диаметра, обеспечивают снижение сопротивлению движения, повышают курсовую устойчивость, способность перемещаться по снегу и развивать высокую – до 50 км/час – скорость. Также, в отличие от других известных роботов-доставщиков, робот-доставщик REV-1 обладает большей управляемостью и большей наблюдаемостью управления за счёт того, что меняет направление движения не бортовым поворотом, а с помощью поворота управляемых передних колёс. The closest invention to the totality of technical, operational and consumer properties is the only known delivery robot with satisfactory mobility REV-1, mounted on a three-wheeled chassis [https://www.tadviser.ru/index.php/ Product:REV-1_(robot -deliveryman)]. The increased mobility of REV-1 compared to other well-known delivery robots is due to the use of large-diameter wheels, which, due to greater support flotation than small-diameter wheels, provide a reduction in movement resistance, increase directional stability, the ability to move through snow and develop high speed - up to 50 km/h – speed. Also, unlike other well-known delivery robots, the REV-1 delivery robot has greater controllability and greater control observability due to the fact that it changes the direction of movement not by skidding, but by turning the steered front wheels.

Недостатками робота-доставщика REV-1 являются низкая поперечная и продольная остойчивости и низкая тяговооружённость при одном ведущем заднем колесе. Низкая поперечная остойчивость обусловлена тем, что шасси робота-доставщика трёхколёсное. Низкая продольная остойчивость обусловлена тем, что нижняя часть объёма корпуса робота-доставщика занята колёсными нишами передних поворотных колёс и конструкциями подвески заднего приведённого колеса. Вследствие этого, относительная высота расположения аккумуляторных батарей и оборудования робота-доставщика с кузовом для доставляемых объектов стала значительной, а вместе с ними и общая высота робота-доставщика оказались значительными, а центр масс робота-доставщика стал высокорасположенным. Соответственно, при экстренном торможении и/или при поворотах и при траверсировании уклонов или наезде на одностороннее препятствие у робота-доставщика REV-1 возникают значительные пикирующий продольный и опрокидывающий поперечный моменты при малой опорной базе трёхколёсного шасси. Тяговооружённость трёхколёсного робота-доставщика, определяемая относительным тяговым усилием одного приведённого заднего колеса, создающего направленную вдоль продольной оси робота-доставщика силу тяги, не может быть увеличена до величин, сопоставимых с силой тяжести робота-доставщика, так как при смещении центра масс экипажа к оси заднего ведущего колеса снижается поперечная остойчивость экипажа. The disadvantages of the REV-1 delivery robot are low lateral and longitudinal stability and low thrust-to-weight ratio with one driven rear wheel. Low lateral stability is due to the fact that the delivery robot has a three-wheeled chassis. Low longitudinal stability is due to the fact that the lower part of the body volume of the delivery robot is occupied by the wheel niches of the front swivel wheels and the suspension structures of the rear driven wheel. As a result, the relative height of the delivery robot's batteries and equipment with the delivery body has become significant, and along with them, the overall height of the delivery robot has become significant, and the center of mass of the delivery robot has become high. Accordingly, during emergency braking and/or when turning and when traversing slopes or hitting a one-sided obstacle, the REV-1 delivery robot experiences significant diving longitudinal and overturning transverse moments with a small support base of the three-wheeled chassis. The thrust-to-weight ratio of a three-wheeled delivery robot, determined by the relative traction force of one driven rear wheel, which creates a traction force directed along the longitudinal axis of the delivery robot, cannot be increased to values comparable to the gravity force of the delivery robot, since when the center of mass of the crew is shifted to the axis the rear drive wheel reduces the lateral stability of the vehicle.

Задачей изобретения является повышение подвижности роботов-доставщиков.The objective of the invention is to increase the mobility of delivery robots.

Указанная задача решается агрегатированием робота-доставщика на статически уравновешенном двухколейном двухколёсном шасси с динамическим управлением остойчивостью. Такие шасси использованы в изобретениях, защищённых патентами № 2090429 «Двухколейный двухколесный велосипед с плавающей кабиной», № 2102272 «Одноосный Вездеход», № 2421202 «Робот-сапер», №2492620 «Сельскохозяйственный робот». This problem is solved by aggregating a delivery robot on a statically balanced two-track two-wheeled chassis with dynamic stability control. Such chassis are used in inventions protected by patents No. 2090429 “Double-track two-wheeled bicycle with a floating cabin ” , No. 2102272 “Single-axle all-terrain vehicle”, No. 2421202 “Sapper robot”, No. 2492620 “Agricultural robot”.

Статическую уравновешенность двухколейного двухколёсного (далее - одноосного) шасси обеспечивают использованием колес большого диаметра, что позволяет расположить центр масс конструкции робота-доставщика ниже геометрической оси колёс и придать конструкции свойства прямого составного физического маятника. Управление динамической остойчивостью одноосного робота-доставщика обеспечивают введением в конструкцию робота-доставщика дополнительной степени свободы в виде возможности продольных смещений кузова робота-доставщика относительно оси колёс под действием силы, направление и величина которой определяют знаком и величиной производной величины результирующего момента на колёсах. Для этого кузов снабжают направляющими, опирающимися на размещённые на перевёрнутой П-образной несущей раме конструкции робота-доставщика ролики или линейные подшипники, и приводом, управляемым указанной выше силомоментной связью с результирующим моментом на колёсах. Высокую тяговооружённость робота-доставщика обусловливает постоянная загрузка обоих ведущих колёс большого диаметра весом всей конструкции экипажа. Высокую маневренность одноосного робота-доставщика обусловливает способность поворачивать относительно геометрического центра проекции корпуса на грунт. Высокую проходимость одноосного робота-доставщика обусловливает большая опорная проходимость колёс большого диаметра и способность смещения центра масс относительно центра пятна контакта колёс с препятствием. Высокую энергоэффективность одноосного робота-доставщика обусловливает эффект «сглаживания» микрорельефа грунта на местности при качении колёс большого диаметра.The static balance of a two-track, two-wheeled (hereinafter referred to as single-axle) chassis is ensured by the use of large-diameter wheels, which makes it possible to locate the center of mass of the delivery robot structure below the geometric axis of the wheels and give the structure the properties of a direct composite physical pendulum. Control of the dynamic stability of a single-axis delivery robot is ensured by introducing into the design of the delivery robot an additional degree of freedom in the form of the possibility of longitudinal displacements of the body of the delivery robot relative to the axis of the wheels under the action of a force, the direction and magnitude of which is determined by the sign and magnitude of the derivative of the resulting moment on the wheels. To do this, the body is equipped with guides resting on rollers or linear bearings placed on the inverted U-shaped supporting frame of the delivery robot structure, and with a drive controlled by the above-mentioned force-torque connection with the resulting torque on the wheels. The high thrust-to-weight ratio of the delivery robot is determined by the constant loading of both large-diameter drive wheels with the weight of the entire crew structure. The high maneuverability of a single-axis delivery robot is determined by the ability to rotate relative to the geometric center of the body projection on the ground. The high cross-country ability of a single-axis delivery robot is determined by the large support cross-country ability of large-diameter wheels and the ability to shift the center of mass relative to the center of the contact patch of the wheels with an obstacle. The high energy efficiency of a single-axis delivery robot is determined by the effect of “smoothing” the soil microrelief on the ground when large-diameter wheels roll.

Для обеспечения способности перемещения по неровностям с высокой скоростью, одноосный робот-доставщик снабжают мягкой подвеской колёс к несущей раме посредством установленных на вертикальных стойках несущей рамы кареток с возможностью относительных перемещений на пружинном подвесе. Каретки кинематически связаны со стойками рамы ползунами или линейными подшипниками. Для обеспечения высокой поперечной остойчивости одноосного робота-доставщика каретки мягкой подвески колёс соединяют тросом поперечной остойчивости, снижающим боковые наклоны экипажа при наездах на односторонние препятствия и при движении по косогору. Для упрощения кинематической схемы конструкции одноосного робота-доставщика и придания ему способности перемещаться с высокими скоростями по ровным участкам и преодолевать уклоны и лестницы приводы колёс выполняют в виде установленных в колёса двух-или более скоростных редукторных мотор-колёс. To ensure the ability to move over uneven surfaces at high speeds, the single-axis delivery robot is equipped with a soft suspension of the wheels to the supporting frame by means of carriages mounted on the vertical posts of the supporting frame with the possibility of relative movements on a spring suspension. The carriages are kinematically connected to the frame posts by sliders or linear bearings. To ensure high lateral stability of a single-axis delivery robot, the carriages of the soft wheel suspension are connected by a lateral stability cable, which reduces the lateral inclination of the crew when hitting one-sided obstacles and when moving along a slope. To simplify the kinematic design of a single-axis delivery robot and give it the ability to move at high speeds on flat areas and overcome slopes and stairs, the wheel drives are made in the form of two or more high-speed geared motor-wheels installed in the wheels.

Возможный внешний вид нового робота-доставщика и робота-доставщика REV-1 представлены на Фиг 1, 2, 3, 4, 5, 6. The possible appearance of the new delivery robot and the REV-1 delivery robot are presented in Figures 1, 2, 3, 4, 5, 6.

На фиг. 1 представлен примерный вид сбоку на одноосного робота-доставщика, где изображены возможный вид защитного крыла -1 колеса - 2, кузова - 3, крышки кузова - 4, антенны устройства связи – 5, бамперов с утопленными в них видеокамерами, лидаром, инфракрасными и ультразвуковыми датчиками и светотехникой – 6, несущей рамы - 7. In fig. 1 shows an approximate side view of a single-axis delivery robot, which shows a possible view of the protective wing -1, wheels - 2, body - 3, body cover - 4, communication device antennas - 5, bumpers with recessed video cameras, lidar, infrared and ultrasonic sensors and lighting equipment – 6, supporting frame – 7.

На фиг. 2 представлен возможный вид спереди одноосного робота-доставщика, схематически изображены несущая рама – 7, трос поперечной остойчивости - 8, блок троса поперечной остойчивости - 9, кареток мягкой подвески колёс – 10, стойки несушей рамы – 11.In fig. Figure 2 shows a possible front view of a single-axis delivery robot, schematically showing the supporting frame - 7, the lateral stability cable - 8, the lateral stability cable block - 9, the soft wheel suspension carriages - 10, the supporting frame struts - 11.

На фиг. 3 и 4 изображены виды сбоку и спереди одноосного робота-доставщика с открытой крышкой кузова. In fig. 3 and 4 show side and front views of a single-axis delivery robot with the body cover open.

На фиг. 5 представлен вид одноосного робота-доставщика в процессе подъёма по лестнице. In fig. Figure 5 shows a view of a single-axis delivery robot in the process of climbing stairs.

На Фиг. 6 представлен внешний вид робота-доставщика REV-1.In FIG. Figure 6 shows the appearance of the delivery robot REV-1.

В качестве маршевых колёс одноосного робота-доставщика используют любые известные колёса с соответствующим массогабаритам робота диаметром, в том числе спицевые колёса с пневматической шиной типа велосипедных. Кузов и несущую раму робота-доставщика изготавливают по известным технологиям из известных материалов, применяемых при изготовлении стойких к атмосферным воздействиям внешней среды изделий и агрегатов, в том числе из легкосплавных металлических, пластических и композитных материалов, а также из дерева или конструкционных материалов деревообработки. Для обеспечения оптимальных кинетостатических и динамических характеристик конструкции одноосного робота-доставщика при минимальных массогабаритных параметрах аккумуляторные батареи и преобразователи тока и напряжения располагают в нижней части кузова робота в отдельном отсеке с возможностью замены аккумуляторных батарей «нагорячую» посредством однонаправленного пространственного перемещения.Any known wheels with a diameter corresponding to the weight and dimensions of the robot, including spoked wheels with pneumatic bicycle-type tires, are used as marching wheels of a single-axle delivery robot. The body and supporting frame of the delivery robot are made using known technologies from known materials used in the manufacture of products and assemblies resistant to atmospheric influences, including light-alloy metal, plastic and composite materials, as well as wood or structural woodworking materials. To ensure optimal kinetostatic and dynamic characteristics of the design of a single-axis delivery robot with minimal weight and size parameters, batteries and current and voltage converters are located in the lower part of the robot body in a separate compartment with the ability to hot-swappable batteries through unidirectional spatial movement.

Бампера кузова изготавливают из ударопрочных эластичных материалов типа полиуретановых композитов. Body bumpers are made of impact-resistant elastic materials such as polyurethane composites.

Для обеспечения соответствия термическим и санитарно-гигиеническим требованиям при транспортировке продуктов питания при минимизации ухода и обслуживания кузов робота-доставщика выполняют со сменным вкладышем/вкладышами. To ensure compliance with thermal and sanitary requirements when transporting food products while minimizing care and maintenance, the body of the delivery robot is made with a replaceable liner/liners.

Технический результат - выполненный в такой компоновке одноосный робот-доставщик обладает совокупностью кинетостатических и динамических характеристик, придающих ему подвижность, сопоставимую с подвижностью человека-курьера. Соответственно, такой робот-доставщик будет способен замещать человека-курьера и осуществлять услуги по транспортировке малогабаритных посылок на последнем этапе доставки самых различных предметов обихода или жизнеобеспечения. Спрос на эти услуги формировался в течение и в настоящее время имеет долговременную тенденцию к росту. The technical result is that a single-axis delivery robot made in such an arrangement has a set of kinetostatic and dynamic characteristics that give it mobility comparable to the mobility of a human courier. Accordingly, such a delivery robot will be able to replace a human courier and provide services for the transportation of small-sized parcels at the last stage of delivery of a wide variety of household items or life support items. The demand for these services has been developing over time and currently has a long-term upward trend.

Claims (5)

1. Робот-доставщик, представляющий собой автономный самоходный экипаж на колёсном шасси, оснащённый устройством связи, дистанционного управления, системой компьютерного зрения с видеокамерами и инфракрасными, ультразвуковыми и лазерными датчиками, системами навигации и позиционирования с лидаром или без него, источниками энергии и закрывающимся крышкой кузовом для размещения доставляемых объектов, отличающийся тем, что робот-доставщик агрегатирован на статически уравновешенном двухколейном двухколёсном шасси с перевёрнутой П-образной несущей рамой, кузов снабжён направляющими, опирающимися на размещённые на несущей раме конструкции робота-доставщика ролики или линейные подшипники с возможностью продольных смещений кузова робота-доставщика относительно оси колёс под действием привода, управляемого силомоментной связью с результирующим моментом на колёсах.1. A delivery robot, which is an autonomous self-propelled carriage on a wheeled chassis, equipped with a communication device, remote control, a computer vision system with video cameras and infrared, ultrasonic and laser sensors, navigation and positioning systems with or without lidar, energy sources and a closing lid a body for placing delivered objects, characterized in that the delivery robot is mounted on a statically balanced two-track two-wheeled chassis with an inverted U-shaped supporting frame, the body is equipped with guides resting on rollers or linear bearings placed on the supporting frame of the delivery robot structure with the possibility of longitudinal displacements body of the delivery robot relative to the wheel axis under the action of a drive controlled by a force-torque connection with the resulting torque on the wheels. 2. Робот-доставщик по п.1, отличающийся тем, что колёса соединены с несущей рамой посредством кареток, кинематически связанных с вертикальными стойками рамы ползунами или линейными подшипниками и пружинами. 2. The delivery robot according to claim 1, characterized in that the wheels are connected to the supporting frame by means of carriages kinematically connected to the vertical posts of the frame by sliders or linear bearings and springs. 3. Робот-доставщик по п.2, отличающийся тем, что каретки мягкой подвески колёс соединены тросом.3. The delivery robot according to claim 2, characterized in that the carriages of the soft wheel suspension are connected by a cable. 4. Робот-доставщик по п.1, отличающийся тем, что в колёсах установлены двух- или более скоростные редукторные мотор-колёса.4. The delivery robot according to claim 1, characterized in that the wheels have two or more high-speed geared motor wheels. 5. Робот-доставщик по п.1, отличающийся тем, что кузов имеет съёмный вкладыш/вкладыши для размещения различных видов доставляемых объектов с различными термическими и санитарно-гигиеническими требованиями транспортировки.5. The delivery robot according to claim 1, characterized in that the body has a removable liner/liners to accommodate various types of delivered objects with different thermal and sanitary-hygienic transportation requirements.