Типы колес мобильных роботов

Колесо, безусловно, является самым популярным механизмом перемещения в мобильной робототехнике и в транспортных средствах в целом. Колесо позволяет достигать высокой эффективности во многих приложениях при относительно простой механической реализации.

Существует четыре основных типа колес:

• (а) Стандартное колесо: две степени свободы.  Вращается вокруг колесной оси (моторизованной) и точкой соприкосновения с поверхностью.
• (б) Поворотное колесо: две степени свободы. Вращается вокруг смещенного колесного шарнира.
• (в, г) Шведское колесо: три степени свободы. Вращается вокруг (моторизованной) колесной оси, вокруг осей роликов и вокруг точки соприкосновения. Ролики могут быть размещены двумя различными способами.  90° вариант показан на рисунке в) и 45° вариант на рисунке г).
• (д) Шаровое или сферическое колесо: технически сложно реализуемо.

Все эти типы колес сильно отличаются своей кинематикой и поэтому тот или иной тип оказывает значительное влияние на всю кинематику мобильного робота.

Обычное колесо и поворотное колесо имеют основную ось вращения и, таким образом, являются строго направленными. Для движения в ином направлении, колесо должно быть сначала развернуто вдоль вертикальной оси. Основное отличие между этими двумя типами колес состоит в том, что обычное колесо может выполнить этот поворот без побочного эффекта, потому что центр вращения находится в точке контакта с поверхностью, в то время, как поворотное колесо вращается вокруг смещенной оси, в результате чего, исходное усилие будет двигать шасси во время рулежки.

Шведское колесо (Swedish wheel) или, как его еще называют, колесо Илона, изобрел инженер из шведской компании Mecanum AB Бенгт Илон в 1973 году — отсюда и варианты названий, соответственно. Конструкция таких колес позволяет вращаться на месте при минимальной силе трения и низком вращательном моменте.

Шведское колесо и сферическое колесо спроектированы таким образом, что в меньшей мере ограничиваются направленностью по сравнению с обычным стандартным колесом. Функции шведского колеса такие же как и у обычного колеса, но также обеспечивает низкое сопротивление в другом направлении, иногда, перпендикулярном к обычному направлению, как в 90° шведском колесе, а иногда и на промежуточном углу, как в 45° колесе Илона. Маленькие ролики, прикрепленные по окружности являются пассивными и основная ось служит для передачи энергии в соединение. Главное преимущество этой конструкции в том, что, хотя вращение колеса работает только вдоль одной главной оси (через ось), колесо может двигаться кинематически с очень небольшим трением вдоль множества возможных траекторий, а не только вперед и назад. Зачастую колесо Илона называют всенаправленным колесом (omni weel).

Но все же, по-настоящему всенаправленным колесом, является сферическое колесо, часто сконструированное таким образом, что оно может активно вращаться в любом направлении. Одним из механизмов реализации такой сферической конструкции имитирует компьютерную мышь (ее устаревший вариант — с шариком), с активными приводными роликами, которые опираются на верхнюю поверхность сферы и передают усилие для вращения.

Если же колесо используется лишь в качестве опоры, то такая конструкция значительно проще.

Независимо от того, иcпользуется колесо, во вседорожном роботе или нет, но с более чем тремя колесами, как правило, требуется система подвески для поддержания постоянного контакта колеса с поверхностью. Один из самых простых подходов в реализации подвески является создание гибкости (эластичности) самого колеса. Например, в случае некоторых четырехколесных роботов для помещений, использующих поворотные колеса, производители используют в колесе деформируемые шины из мягкой резины, чтобы создать примитивную подвеску. Конечно, это ограниченное решение не может конкурировать со сложной системой подвески в тех случаях, когда робот нуждается в более динамичной подвеске для сильно рельефной местности.

[add_ratings]