Autor: Paulina Piorun
Szukając ciekawego rozwiązania w projektach pojazdów czy robotów mobilnych warto zwrócić uwagę na koła Mecanum. Jest to rodzaj kół omnikierunkowych, czyli takich, które pozwalają na poruszanie się w dowolnym kierunku bez konieczności obracania całego podwozia pojazdu. Spotykane są również pod nazwą koła szwedzkie, jako że ich twórca był inżynierem szwedzkiego pochodzenia.
BUDOWA
Najbardziej charakterystyczny element konstrukcji kół Mecanum stanową rolki o beczułkowatym kształcie. Umieszczone na obwodzie korpusu koła mogą się swobodnie obracać. Pokryte są materiałem o wysokiej przyczepności, co zapobiega nadmiernemu ślizganiu się po podłożu. Liczba rolek będzie różna w zależności od zastosowanego modelu koła.
W budowie kół charakterystyczny jest kąt 45° pomiędzy osią obrotu koła a osią obrotu rolki. Zastosowanie rolek ustawionych pod kątem powoduje, że siła tarcia powstająca podczas obrotu koła ma kierunek skośny, a jej składowe umożliwiają ruch pojazdu zarówno w przód, jak i na bok.
Jedną z wad tych kół jest stosowanie gumowanych rolek. W fabrykach przy przewożeniu ciężkich elementów przez dylatacje, kratki odpływowe czy inne nierówności często dochodzi do odklejania się gumy od rolek. Powoduje to większe wibracje, które bardziej uszkadzają nam rolki i nawierzchnię. Wtedy musimy albo wymienić koła lub bardziej czasochłonnym procesie wymienić rolki.
Najczęściej spotykaną konfiguracją pojazdów z kołami szwedzkimi jest wersja czterokołowa, która ułatwia zachowanie stabilności i przyczepności, a jednocześnie pozwala na manewrowanie w różnych kierunkach. W takiej konstrukcji ważne jest skompletowanie zestawu dwóch lewych i dwóch prawych kół. Ich poprawny montaż wymaga konfiguracji, w której osie rolek, patrząc z góry na podwozie, tworzą wzór przypominający literę X. Dla zachowania pełnej kontroli nad kierunkiem ruchu koniecznie jest zapewnienie stałego kontaktu wszystkich kół z podłożem.
STEROWANIE
Siła kontaktu z podłożem jest prostopadła do osi obrotu rolki. Po rozłożeniu tej siły na składowe w układzie współrzędnych x i y otrzymujemy dwie prostopadłe składowe o jednakowych wartościach bezwzględnych. Analizując rozkład sił dla koła lewego i koła prawego (przy ich zgodnym kierunku obrotów) można zauważyć, że składowe wzdłużne mają ten sam zwrot, natomiast składowe poprzeczne mają przeciwne znaki. W konsekwencji jednoczesne obracanie wszystkich czterech kół w tym samym kierunku powoduje ruch pojazdu wyłącznie w kierunku wzdłużnym (do przodu lub do tyłu). Wynika to z wzajemnej redukcji składowych poprzecznych – wtedy ich suma wynosi zero.
Aby umożliwić skuteczne sterowanie pojazdem z kołami szwedzkimi, konieczne jest zastosowanie niezależnych napędów dla każdego koła. Wykorzystując odpowiednie kombinacje kierunków i prędkości obrotowych silników pojazd będzie mógł poruszać się w przód, tył, na boki, wykonywać obroty wokół własnej osi, jechać po przekątnej i skręcać z zadanym łukiem. Wypadkowy ruch pojazdu jest zawsze sumą wektorową sił generowanych przez poszczególne koła.
Główną zaletą pojazdów z kołami Mecanum jest możliwość poruszania się w dowolnym kierunku bez konieczności obracania podwozia. Wpływa to na łatwość manewrowania, w tym parkowanie czy omijanie przeszkód w ciasnych i ograniczonych przestrzeniach. Z drugiej strony koła szwedzkie wykazują dużą wrażliwość na nierówności terenu. Każda utrata kontaktu z podłożem negatywnie wpływa na sterowność pojazdu. Najlepiej sprawdzają się na twardych i płaskich powierzchniach.
Takie konstrukcje nie wymagają stosowania mechanizmów skrętnych, jednak konieczne jest, aby każde koło miało swój niezależny napęd. Podnosi to koszt budowy takiego pojazdu. Same koła Mecanum ze względu na swoją złożoną konstrukcję również są droższe w porównaniu z tradycyjnymi kołami.
Ze względu na efekt ślizgania się rolek i znoszenia się składowych sił reakcji z podłożem energia dostarczana z silników jest częściowo tracona. Co oznacza niższą sprawność niż w przypadku kół tradycyjnych.
Powstające podczas ruchu wibracje (wynikające z przetaczania się z jednej rolki na drugą) mogą mieć wpływ na pracę innych urządzeń, w szczególności przy precyzyjnych pomiarach otoczenia pochodzących z czujników.
ZASTOSOWANIE
Koła Mecanum znajdują zastosowanie w wózkach AGV (ang. Automated Guided Vehicle) poruszających się po halach produkcyjnych czy magazynach, gdzie z łatwością manewrują w wąskich alejkach. Ze względu na swoją zwrotność oraz swobodę manewrowania pozwalają usprawniać procesy logistyczne i lepiej wykorzystywać dostępną przestrzeń.
Technologia ta ma potencjał w budowie nowoczesnych wózków inwalidzkich przeznaczonych do użytkowania w ciasnych pomieszczeniach. Może wpłynąć na poprawę niezależności użytkowników, ułatwiając wjazd do windy czy podjechanie do stołu.
Ciekawym rozwiązaniem są platformy przeładunkowe stosowane w transporcie morskim i lotniczym, które mają wbudowane wiele kół Mecanum. Zamiast poruszać się po podłożu, koła oddziałują na umieszczony na nich ładunek, obracając go i przesuwając.
Warto również wspomnieć o hobbystycznych projektach, które pozwalają na praktyczną naukę zagadnień kinematyki pojazdów holonomicznych oraz algorytmów sterowania. Właśnie taki projekt jest aktualnie rozwijany w naszym kole.
0 komentarzy