Autonóm sakkfigura-vezérlő rendszer

Egyik technikailag legnagyobb kihívást jelentő és egyben leghálásabb projektünk egy teljesen autonóm robotikus sakkrendszer fejlesztése volt, amely nagyméretű sakkfigurákat mozgat pontosan a táblán, miközben a teljes technológia rejtve marad a játékfelület alatt.

Az eredeti koncepció megtévesztően egyszerűnek hangzott: olyan sakkfigurákat kellett létrehozni, amelyek programozott sorrendben képesek a sakktábla pontos pozícióira mozogni. A valóságban a projekt a robotika, a mozgásvezérlés, a vezeték nélküli kommunikáció, az érzékelőrendszerek és az egyedi szoftverfejlesztés rendkívül összetett kombinációjává nőtte ki magát.

Rejtett, autonóm mozgatórendszer

Komoly kihívást jelentett, hogy a tábla felületén semmi sem lehetett látható. Az összes hajtásrendszernek, nyomkövető technológiának és pozícionáló hardvernek teljes egészében a padló alatt kellett működnie.

A hagyományos robotikai pozícionálási módszerek nem voltak megfelelőek, mivel a kerekek megcsúszása vagy a mozgási hibák miatt a figurák hamar elvesztették volna a pozíciójukat. Ennek kiküszöbölésére egyedi vonalkövető navigációs rendszert fejlesztettünk ki, amely a tábla felülete alá ágyazott jelvezetékeket használ.

A rendszer úgy működik, hogy egy dedikált váltóáramú frekvenciát továbbít a padló alatti rejtett pályákon. 

Az egyes robotikus sakkfigurák aljára szerelt, egyedi tervezésű induktív érzékelők érzékelik a jelet, és folyamatosan kiszámítják a vonalhoz viszonyított helyzetüket. 

A pálya két oldalán elhelyezett érzékelők értékeinek összehasonlításával a robotok automatikusan korrigálni tudják a kormányzásukat, és mozgás közben is pontos irányt tartanak.

Precíz pozícióérzékelés

A vonal követése önmagában nem volt elegendő – a rendszernek azt is pontosan tudnia kellett, hogy az egyes sakkfigurák hol helyezkednek el a táblán.

Több megközelítés tesztelése után mágneses pozícionáló rendszert valósítottunk meg. A padló alatt kulcsfontosságú pontokon elhelyezett mágneseket az egyes robotokba szerelt Hall-effektus érzékelőtömbök érzékelik. Ez lehetővé teszi, hogy a rendszer pontosan azonosítsa a táblapozíciókat, és a figurák pontosan megálljanak az egyes mezőkön belül.

Ezeket a pozícióadatokat a vonalkövető rendszerrel kombináljuk, így megbízható navigációt és megismételhető mozgássorozatokat biztosítunk.

Egyedi robotalváz-tervezés

Magát a robotplatformot teljes egészében házon belül terveztük SolidWorks és Fusion 360 szoftverekkel. A projekt során több prototípus-szakaszt is végigvittünk: kis, MicroPython-alapú tesztjárművekkel kezdtünk, majd teljes méretű alumínium prototípusokon keresztül jutottunk el a kész, gyártási rendszerekig.

A végleges alváz C-profilú alumínium felhasználásával készült, amely könnyű, mégis merev vázat biztosít, elegendő belső térrel az akkumulátorok, a vezérlőelektronika, a vezeték nélküli rendszerek és a motoregységek számára.

A manőverezőképesség maximalizálása érdekében mecanum kerekeket alkalmaztunk, amelyek lehetővé teszik, hogy a sakkfigurák több irányba is egyenletesen mozogjanak, miközben a pozícionálás pontosan vezérelhető marad.

Akkumulátor- és vezeték nélküli rendszerek

Mivel az egységeknek teljesen önállóan és látható kábelek nélkül kellett működniük, a teljes rendszer beépített akkumulátorokról üzemel.

Kivehető e-bike akkumulátorrendszereket választottunk megbízhatóságuk, egyszerű tölthetőségük, hosszú üzemidejük és könnyű karbantarthatóságuk miatt. 

Az akkumulátorok az üzemidőszakok között gyorsan cserélhetők vagy újratölthetők.

A robotok és a központi vezérlőrendszer közötti kommunikáció vezeték nélkül történik. A rendszer kezdetben Wi-Fi-n keresztül működött, a jövőbeli változatok azonban 868 MHz-es kommunikációra térhetnek át a megbízhatóság javítása érdekében a zsúfolt nyilvános környezetekben, ahol a nagyszámú mobileszköz vezeték nélküli interferenciát okozhat.

Központi vezérlés és mozgáskoordináció

Az installáció szívében egy egyedi központi vezérlőrendszer áll, amely az összes robot mozgásának összehangolásáért felel.

A rendszer a következőket kezeli:

• A figurák pozícionálása

• A mozgások sorrendjének vezérlése

• Ütközéselkerülés

• Több autonóm egység szinkronizálása

• Több autonóm egység szinkronizálása

A korábbi, EtherCAT-alapú mozgásvezérlési projektjeinkből származó technológia felhasználásával a valós idejű érzékelői visszajelzést közvetlenül a vezérlési architektúrába integráltuk, ami pontos felügyeletet és gyorsan reagáló mozgásvezérlést tesz lehetővé az egész installációban.

A projekt jelenleg több autonóm sakkfigurát foglal magában, köztük egy bástyát és egy gyalogot, valamint egy külön vezérelt, forgó vezér elemet.

Biztonság és mozgástechnika

Az egyik legfontosabb mérnöki kihívás a mozgási sebesség és a megállási pontosság közötti egyensúly megteremtése volt. Mivel a robotok csak a mágneses jelölők érzékelésekor határozzák meg a pozíciójukat, a gyorsulási és lassítási profilokat gondosan be kellett hangolni, hogy elkerüljük a túlfutást vagy az instabil mozgást.

A rendszer tervezett biztonsági funkciókat is tartalmazott, köztük a szélekre szerelt nyomásérzékelő csíkokat, amelyek leállítják a mozgást, ha akadályt vagy személyt érzékelnek a közelben.

A prototípustól a végleges installációig

A projekt több hónap alatt számos fejlesztési szakaszon haladt keresztül:

• Első, MicroPython-alapú koncepcióigazoló robotok

• Alumínium extrudált profilos tesztplatformok

• Teljes körű érzékelőfejlesztés

• Vezeték nélküli kommunikációs rendszerek

• Egyedi vezérlőszoftver

• Végleges, gyártási robotegységek

A fejlesztés során kiterjedt tesztelésre és finomításra volt szükség ahhoz, hogy egy teljesen rejtett padlórendszer alatt megbízható, autonóm mozgást érjünk el.

A mérnöki szakterületek összetett ötvözete

Ez a projekt számos technológiát egyesített, többek között:

• Robotika

• Mozgásvezérlés

• Beágyazott elektronika

• Vezeték nélküli kommunikáció

• Szenzorfúzió

• Mechanikai tervezés

• Szoftverfejlesztés

• Autonóm navigáció

Nagy-Britanniában készült