Выбор типа колес для мобильного робота тесно связан с выбором расположения колес или геометрии колес. При проектировании двигательного механизма колесного робота конструктор мобильного робота должен учитывать эти два момента одновременно.
Почему тип и геометрия колеса имеют значение? Этим выбором определяются три основные характеристики робота: маневренность, управляемость и стабильность. В отличие от автомобилей, которые в значительной степени разработаны для высоко стандартизированной среды (дорожной сети), мобильные роботы предназначены для применения в самых разных ситуациях.
Все автомобили имеют схожие колесные формулы, поскольку в проектном пространстве есть один регион, который обеспечивает максимальную маневренность, управляемость и стабильность для их стандартной среды: асфальтированная дорога.
Однако не существует одноколесной конфигурации, которая бы максимально увеличивала эти качества для различных сред, с которыми сталкиваются различные мобильные роботы. Существует большое разнообразие колесных формул мобильных роботов. Фактически лишь немногие роботы используют колесную форму автомобиля Аккермана из-за ее плохой маневренности, за исключением мобильных роботов, предназначенных для дорожной системы.
Есть ключевые проблемы, которые необходимо решать
Например, двухколесное расположение велосипедов характеризуется умеренной маневренностью и плохой управляемостью. Как одноногая прыгающая машина, она никогда не может стоять на месте.
Тем не менее существует большое разнообразие колесных формул, которые возможны при проектировании мобильных роботов. Количество вариаций довольно велико.
Однако существуют важные тенденции и группировки, которые могут помочь понять преимущества и недостатки каждой конфигурации. Ключевые компромиссы с точки зрения трех проблем - стабильность, маневренность и управляемость.
Как достигается стабильность
Удивительно, но минимальное количество колес, необходимое для обеспечения статической устойчивости, составляет два. Двухколесный дифференциально-приводной робот может достичь статической устойчивости, если центр массы находится ниже колесной оси.
Cye - это коммерческий мобильный робот, который использует такую колесную форму. Однако в обычных условиях такое решение требует колес невыполнимо больших диаметров. Динамика также может привести к удару двухколесного робота о пол в третьей точке контакта, например, при достаточно высоком крутящем моменте двигателя после остановки.
Обычно для обеспечения статической устойчивости требуется как минимум три колеса с дополнительной оговоркой о том, что центр тяжести должен находиться в треугольнике, образованном точками контакта колес с землей. Устойчивость можно дополнительно повысить, добавив больше колес, хотя как только число точек соприкосновения превысит три, гиперстатический характер геометрии потребует определенной формы гибкой подвески на неровной местности.
За счет чего достигается маневренность
Некоторые роботы являются разнонаправленными, что означает, что они могут перемещаться в любое время в любом направлении по плоскости земли независимо от ориентации робота вокруг его вертикальной оси.
Такой уровень маневренности требует колес, которые могут двигаться более чем в одном направлении, и поэтому разнонаправленные роботы обычно используют шведские или сферические колеса с приводом. Хорошим примером является Уран (правый рисунок на коллаже). Этот робот использует четыре шведских колеса для вращения и перевода независимо и без ограничений.
Сделать движение разнонаправленным
В целом дорожный просвет роботов со шведскими и сферическими колесами несколько ограничен из-за механических ограничений при изготовлении всенаправленных колес.
Интересным недавним решением проблемы разнонаправленной навигации при решении этой проблемы наземного зазора является конфигурация с четырьмя роликовыми колесами, в которой каждое роликовое колесо активно управляется и активно транслируется.
В такой конфигурации робот действительно является разнонаправленным, поскольку, даже если колеса катка направлены перпендикулярно желаемому направлению движения, робот все равно может двигаться в нужном направлении, управляя этими колесами.
И даже вращательным
Поскольку вертикальная ось отклоняется от траектории контакта с землей, результатом этого движения рулевого управления является движение робота. В научном сообществе популярны и другие классы мобильных роботов, которые достигают высокой маневренности, лишь незначительно уступая разнонаправленным конфигурациям.
В таких роботах движение в определенном направлении может первоначально потребовать вращательного движения. С круговым шасси и осью вращения в центре робота, такой робот может вращаться без изменения площади основания.
Как достигается управляемость
Самый популярный такой робот - двухколесный дифференциально-приводной робот, где два колеса вращаются вокруг центральной точки робота. В зависимости от специфики применения, для обеспечения стабильности можно использовать одну или две дополнительные точки заземления. В отличие от вышеперечисленных конфигураций конфигурация рулевого управления Ackerman распространена в автомобилях.
Диаметр поворота такого транспортного средства обычно больше диаметра поворота автомобиля. Кроме того, для того чтобы такое транспортное средство двигалось в боковом направлении, необходимо выполнить маневр стоянки, состоящий из повторяющихся изменений в направлении вперед и назад.
Тем не менее геометрия рулевого управления Ackerman была особенно популярна на рынке хобби-роботов, где робот может быть построен, начиная с комплекта дистанционного управления гоночным автомобилем и добавляя к существующему механизму возможность измерения и автономии.
Кроме того, ограниченная маневренность рулевого управления Ackerman имеет важное преимущество: его направленность и геометрия управления обеспечивают очень хорошую боковую устойчивость при высокоскоростных поворотах.
