Dobór kół do robota decyduje o tym, jak konstrukcja rusza, skręca, pokonuje nierówności i utrzymuje przyczepność. Przy projektowaniu robota mobilnego na kołach, na przykład robota śledzącego linię, platformy edukacyjnej albo małego pojazdu inspekcyjnego, nie wystarczy dobrać silnik i sterownik. Trzeba jeszcze dopasować typ koła, średnicę, szerokość, bieżnik oraz sposób mocowania do masy robota, podłoża i oczekiwanego sposobu manewrowania. Ten przewodnik porządkuje najważniejsze rodzaje kół stosowanych w robotyce i pokazuje, kiedy warto wybrać koła standardowe, podporowe, Mecanum albo omni.
W artykule omawiamy typy kół do robotów, parametry wpływające na mobilność oraz praktyczne kryteria wyboru dla projektów hobbystycznych, edukacyjnych i prototypów urządzeń mobilnych.
Jakie są dostępne typy kół robotów?
Cyfrowy projekt robota kołowego.
Typ koła określa, ile stopni swobody ma robot, jak skutecznie przenosi moment z silnika na podłoże i jak łatwo będzie sterować całym podwoziem. W praktyce najczęściej spotyka się cztery grupy: koła standardowe, koła podporowe i kulowe, koła Mecanum oraz koła omni.
Koła do robotów: koło standardowe
Koła standardowe to najprostsze i najczęściej używane koła w robotach mobilnych. Obracają się wokół jednej osi, więc zapewniają ruch do przodu i do tyłu. Zwykle pracują jako koła napędowe połączone z silnikiem, ale mogą też pełnić funkcję kół biernych w prostych podwoziach.
Ich zaletą jest szeroki wybór średnic, piast, mocowań i materiałów opon. Miękkie gumowe bieżniki sprawdzają się na gładkich podłogach, a twardsze lub wyraźnie profilowane opony lepiej znoszą pracę na zewnątrz. Ponieważ koło standardowe nie skręca samo z siebie, sposób manewrowania zależy od układu napędu: najczęściej różnicowego, z dwoma niezależnie sterowanymi kołami po bokach robota.
Kółka podporowe i koła kulowe
Zestaw kółek podporowych.
Kółka podporowe, nazywane też kółkami samonastawnymi, oraz koła kulowe nie są zwykle elementem napędowym. Ich zadaniem jest podparcie konstrukcji, utrzymanie równowagi i umożliwienie swobodnej zmiany kierunku przy napędzie różnicowym. Stosuje się je w robotach edukacyjnych, robotach śledzących linię, małych platformach mobilnych i lekkich pojazdach laboratoryjnych.
Koło kulowe składa się z jednej kuli, najczęściej metalowej lub z tworzywa, osadzonej w obudowie z małymi rolkami podtrzymującymi. Może toczyć się w dowolnym kierunku, dlatego dobrze nadaje się jako trzeci punkt podparcia. Nie jest jednak dobrym kołem napędowym: ma ograniczoną przyczepność, łatwo zbiera zabrudzenia i słabo radzi sobie na nierównym lub ziarnistym podłożu.
W tradycyjnych kółkach podporowych warto rozróżnić dwa warianty konstrukcyjne:
Centrowane: pionowa oś obrotu przechodzi przez środek koła. Taki układ jest prosty, ale gorzej samoczynnie ustawia się za kierunkiem jazdy.
Niecentrowane: pionowa oś obrotu jest przesunięta względem osi koła. Dzięki temu kółko łatwiej ustawia się zgodnie z ruchem robota, podobnie jak kółko wózka transportowego.
Koła do robotów: koła Mecanum
Koła Mecanum.
Źródło: Wikipedia Commons
Koła Mecanum pozwalają robotowi jechać do przodu, do tyłu, na boki oraz po przekątnej bez obracania całego podwozia. Osiąga się to dzięki rolkom rozmieszczonym na obwodzie koła, zwykle pod kątem 45 stopni do osi obrotu. Do pełnego napędu najczęściej używa się czterech kół: dwóch w wersji lewej i dwóch w wersji prawej, sterowanych niezależnie. To rozwiązanie jest atrakcyjne w robotach magazynowych, platformach demonstracyjnych i pojazdach, które muszą manewrować w ciasnej przestrzeni. Wymaga jednak precyzyjnego sterowania silnikami i najlepiej działa na stosunkowo równym podłożu.
Koła omni
Koła omni również mają rolki na obwodzie, ale ustawione prostopadle do kierunku toczenia głównego koła. Dzięki temu koło może swobodnie ślizgać się poprzecznie, a robot może poruszać się wielokierunkowo, jeśli zastosuje się odpowiedni układ napędowy, na przykład trzy koła rozmieszczone co 120 stopni albo cztery koła w konfiguracji holonomicznej. W porównaniu z kołami Mecanum koła omni są proste mechanicznie i popularne w robotach edukacyjnych oraz zawodniczych. Ich ograniczeniem jest mniejsza skuteczność na nierównym podłożu i na powierzchniach, na których małe rolki mogą wpadać w szczeliny albo blokować się na zabrudzeniach.
Koła do robotów: inne parametry do rozważenia
Robot mobilny z kołami.
Sam typ koła nie wystarczy do poprawnego projektu podwozia. Konstruktor powinien sprawdzić również średnicę, szerokość, materiał bieżnika, sposób montażu, prześwit i metodę kierowania. Te parametry bezpośrednio wpływają na prędkość, moment wymagany od silnika oraz stabilność robota.
Rozmiar koła (średnica)
Średnica koła wpływa przede wszystkim na prędkość liniową robota i prześwit podwozia. Większe koło pokonuje dłuższą drogę przy tym samym obrocie silnika, lepiej radzi sobie z progami i małymi przeszkodami, ale zwykle wymaga większego momentu. Małe koło daje kompaktową konstrukcję i dobrą kontrolę przy niskich prędkościach, lecz gorzej sprawdza się na nierównym terenie.
Koła do robotów: szerokość koła
Szerokość koła wpływa na powierzchnię kontaktu z podłożem, a więc na przyczepność i nacisk jednostkowy. Szersze koło może przenieść większą siłę napędową i lepiej rozłożyć masę, ale w napędzie różnicowym zwiększa opory przy skręcie w miejscu. Wąskie koło łatwiej obraca się podczas manewrów, lecz może szybciej tracić przyczepność na śliskich powierzchniach.
Praca nad zdalnie sterowanym pojazdem.
Koła do robotów: bieżnik i powierzchnia jazdy
Materiał opony powinien odpowiadać powierzchni, po której robot ma jeździć. Miękka guma i silikon dobrze trzymają się gładkich podłóg, dlatego są częste w robotach edukacyjnych i line followerach. Twardsze mieszanki zużywają się wolniej, ale mogą mieć mniejszą przyczepność. Do jazdy na zewnątrz lepiej wybierać większe koła z wyraźnym bieżnikiem, odporne na drobne kamienie, kurz i nierówności.
Mocowanie i zawieszenie
Równie ważny jest sposób zamocowania koła do osi silnika lub przekładni. W małych robotach wystarczają piasty wciskane, śruby dociskowe albo adaptery dopasowane do wału. W cięższych konstrukcjach trzeba zadbać o solidną piastę, łożyskowanie i zabezpieczenie przed luzem. Robot terenowy może wymagać prostego zawieszenia, aby wszystkie koła utrzymywały kontakt z podłożem.
Koła do robotów: sposób kierowania
Układ kierowania powinien być dobrany jeszcze przed wyborem konkretnego koła. Najprostszy jest napęd różnicowy: dwa koła napędowe obracają się z różnymi prędkościami, a robot skręca dzięki różnicy prędkości po lewej i prawej stronie. To rozwiązanie dobrze działa w małych konstrukcjach, ale przy szerokich oponach i dużej masie rosną opory podczas skrętu w miejscu.
Bardziej zaawansowane podwozia mogą używać skrętnych modułów kół, serwomechanizmów, przekładni albo układów holonomicznych z kołami omni lub Mecanum. Wtedy mechanika jest trudniejsza, ale robot zyskuje możliwość jazdy bocznej, precyzyjnego pozycjonowania i manewrowania w ciasnych przestrzeniach.
Najlepsze koła do robota
Zdalnie sterowany pojazd z kołami.
Nie istnieje jedno najlepsze koło do każdego robota. Najlepszy wybór to ten, który pasuje do masy pojazdu, nawierzchni, prędkości, rodzaju sterowania i dostępnego momentu silnika. Poniżej znajdują się typowe kierunki wyboru dla najczęstszych projektów.
Standardowe koła do prostych robotów mobilnych
Do robotów śledzących linię, małych platform edukacyjnych i pojazdów RC najczęściej wystarczają standardowe koła gumowe z piastą dopasowaną do wału silnika. Warto wybierać modele, do których łatwo dobrać silniki, enkodery i elementy montażowe, bo skraca to czas budowy prototypu.
Koła podporowe i kulowe do stabilizacji podwozia
Jeśli robot ma dwa koła napędowe, zwykle potrzebuje trzeciego punktu podparcia. W lekkich konstrukcjach sprawdzi się koło kulowe, a w większych robotach lepsze bywa kółko podporowe z łożyskowaniem. Trzeba dobrać je tak, aby nie podnosiło kół napędowych i nie zmniejszało przyczepności.
Koła Mecanum do jazdy wielokierunkowej
Zestaw czterech kół Mecanum jest dobrym wyborem, gdy robot ma poruszać się bokiem i precyzyjnie ustawiać pozycję. Przy zakupie trzeba sprawdzić średnicę, nośność, materiał rolek, zgodność z wałem silnika oraz to, czy zestaw zawiera koła lewe i prawe. Same koła nie wystarczą: potrzebne są cztery niezależnie sterowane napędy i odpowiedni algorytm sterowania.
Koła omni do robotów holonomicznych
Koła omni warto rozważyć w robotach, które mają szybko zmieniać kierunek na gładkiej powierzchni, na przykład w robotach edukacyjnych, demonstracyjnych lub zawodniczych. Kluczowe są trwałość rolek, małe opory toczenia i sztywne mocowanie. Jeżeli robot ma jeździć po nierównym podłożu, koła omni zwykle nie będą pierwszym wyborem.
Na koniec
Koła do robotów trzeba dobierać razem z silnikiem, przekładnią, sterownikiem, zasilaniem i mechaniką podwozia. Koła standardowe są najprostsze i najtańsze, kółka podporowe stabilizują konstrukcję, a koła Mecanum i omni dają ruch wielokierunkowy kosztem większej złożoności sterowania. Im wcześniej określisz nawierzchnię, masę robota, wymagany prześwit i sposób kierowania, tym mniejsze ryzyko kosztownej przebudowy prototypu.