Kinematická štruktúra štvorkolesových mobilných mechatronických sústav

V prevádzkovej praxi sa uplatnili takmer vo všetkých oblastiach nasadzovania servisných robotov [1].

Najzákladnejšie štvorkolesové vozidlo v skutočnosti nepouží­va ani diferenciál. Na každej strane má dve kolesá, ktoré sú spojené a je riadené presne ako trojkolka riadená diferenciálom. Kolesá sú uložené na každej strane za sebou a pri prejazde zákrutou sa nenatáčajú, ale šmýka­jú. Realizujú prenos hnacej sily (krútiaceho momentu) z pohonu (najčas­tejšie prostredníctvom prevodových členov medzi pohonom a kolesom) na podložku, po ktorej sa pohybujú pomocou trenia (efekt valenia), a tak udeľujú celému mechanizmu (podvozku) kinetickú energiu [3].

VOZIDLÁ SO ŠMYKOVÝM RIADENÍM

Vozidlá so šmykovým riadením majú robustný, jednoduchý dizajn s dob­rou pohyblivosťou, napriek neefektívnosti šmýkajúcich sa kolies. Kolesá je ľahké pripojiť k podvozku, pričom nezaberajú priestor potrebný na ich vytáčanie. Usporiadanie vozidla so šmykovým riadením je jednoduché. Problémom však je, že pri prejazde vozidla cez nerovnosti sa jedno kole­so nevyhnutne zdvihne zo zeme. Tento problém neexistuje u dvoj- ale­bo trojkolesových vozidiel, ale je hlavným problémom, ktorý treba riešiť v prípade vozidiel s viac ako tromi kolesami. Hoci tu nie je požiadavka na dobrú pohyblivosť, je lepšie zvoliť mechanizmus, ktorý udržuje všetky ko­lesá na zemi. Je veľa spôsobov ako to dosiahnuť, počínajúc riešením, ktoré delí podvozok na dve časti [2].

Konštrukcia pozdĺžneho vahadla rozdeľuje celé vozidlo na dve polovi­ce a pasívny kĺb je umiestnený medzi ne. Tento kĺb je na každom konci spojený s ramenom, ktoré na každom svojom konci striedavo nesie kole­so. Dané usporiadanie umožňuje ramenu nakláňať sa, keď sa ktorékoľvek koleso pokúša dostať vyššie alebo nižšie ako ostatné. To udržuje ďalšie platformy podvozku takmer rovnomerne na všetkých štyroch kolesách. Kolesá sú na oboch stranách spolu mechanicky spojené ako pri šmyko­vom riadení, ale kvôli zvýšeniu pohyblivosti môžu byť kolesá aj samostat­ne poháňané.

KONCEPCIA BOČNÝCH VAHADIEL

Ďalšia možná koncepcia používa bočnú verziu systému vahadla. Usporia­danie je vhodné na prevážanie väčších nákladov, kde predné kolesá nesú väčšinu celkovej hmotnosti. Všetky štyri kolesá sú bez akéhokoľvek péro­vania, a preto sa vyžaduje spôsob, ako udržať všetky kolesá na zemi. Naj­bežnejšie usporiadanie má spojené predné kolesá, vahadlo nainštalované priečne a spojené so zadnými kolesami, ktoré sú obyčajne riadiace. Slabi­nou tejto koncepcie je, že obyčajne má pohon dvoch kolies. Toto usporia­danie je znázornené na obr. 2.

POHON VŠETKÝCH KOLIES

Vo všeobecnosti však pohon všetkých štyroch kolies umožňuje oveľa vyš­šiu pohyblivosť. Vo vozidle s pohonom dvoch kolies musia poháňané ko­lesá zabezpečiť ťažnú silu nielen pre čokoľvek, čo sa snažia prekonať, ale musia aj tlačiť alebo ťahať kolesá, ktoré nie sú poháňané.

Mnohé návrhy kolesových podvozkov vyžadujú pohon pre každé koleso. Hoci sa to javí ako komplikované riešenie z hľadiska elektroniky a ovlá­dania, mechanicky je jednoduchšie. Usporiadanie s priečnym vahadlom možno použiť aj pri usporiadaní s pohonom predných kolies, čo pripomí­na koncepciu automobilu.

Ďalšou možnosťou je medzi polovice usporiadania pozdĺžneho vahad­la vložiť diferenciál, ktorého nápravy sú upevnené na každé pozdĺžne vahadlo.

Ak sa implementuje tento prevod k podvozku, uhol sklonu podvozku je polovičný ako uhol sklonu každého bočného vahadla. Vyrovnávanie toh­to sklonu efektívne znižuje nakláňanie podvozku, udržuje ho v stabilnej­šej polohe, pokiaľ druhá časť podvozku prechádza cez nerovnosti. To sa ukazuje ako výhoda pri podvozkoch nesúcich kamery, nebezpečné ma­teriály a podobne. Tento mechanizmus má aj tendenciu rovnomernej­šie rozdeľovať hmotnosť na všetky štyri kolesá, čím sa zvyšuje ťahová sila a rovnako aj pohyblivosť.

Návrh na obr. 7 využíva tretie vahadlo, ktoré je viazané k obom bočným vahadlám. Stred tretieho vahadlá je spojený (v prednej či zadnej časti) so stredom podvozku. Návrh tretieho vahadla môže byť účinnejší a ľahší ako predchádzajúce usporiadanie.

Ďalšie usporiadanie je také, v ktorom je vozidlo rozdelené na dve sekcie, prednú a zadnú. Každá z nich má svoj pár kolies. Tieto dve sekcie sú spo­jené pomocou kĺbového spoja so zvislou osou.

Kolesá prednej a zadnej sekcie sú poháňané diferenciálmi, ale vyššiu ťa­hovú silu by bolo možné dosiahnuť, keby to boli diferenciály s obmedze­ným sklzom alebo by boli uzamykateľné. Ešte výhodnejšie by bolo pohá­ňať každé koleso vlastným motorom. Tento dizajn sa nedokáže otočiť na mieste, ale vhodné usporiadanie umožňuje vytvoriť vozidlo, ktoré sa do­káže otočiť v priestore o niečo väčšom ako dvojnásobok jeho šírky.

Vyššia pohyblivosť sa dosiahne, ak stredový kĺb umožňuje aj valivý pohyb medzi týmito dvomi sekciami. Tento stupeň voľnosti udržuje počas pre­chodu nerovným terénom alebo cez prekážky všetky štyri kolesá na zemi

ZÁVER

Cieľom tohto článku bolo vytvoriť prehľad návrhov kinematických uspo­riadaní štvorkolesových mobilných mechatronických sústav. Tie tvoria početnú skupinu robotov, ktoré sa používajú hlavne pri nasadení v te­réne. Majú vysokú statickú a dynamickú stabilitu. Ale problémy, ktoré prináša pohyb v teréne (najmä prekonávanie prekážok) možno riešiť via­cerými spôsobmi. Niektoré z nich sú opísané v článku. Špeciálnymi mo­delovacími metódami je možné odstrániť prípadné nedostatky počiatoč­ných návrhov.

POĎAKOVANIE

Tento článok bol vytvorený v rámci projektu APVV-0091-11 „Využitie metód experimentálneho a numerického modelovania pre zvyšovanie konkurencie­schopnosti a inovácie mechanických a mechatronických sústav.“

POUŽITÁ LITERATÚRA

[1] SMRČEK, Juraj – KÁRNIK, Ladislav: Robotika, Servisné roboty, Navrhovanie – Konštrukcia – Riešenia. Košice, 2008, ISBN 978-80-7165-713-2

[2] JEZNÝ, J.: Manipulátory a teleoperátory. Acta Mechanica Slovaca 3-B/2008, ISSN 1335-2393, s. 353 – 360

[3] SANDIN, E. Paul: Robot mechanisms and mechanicla devices, 2003, ISBN 0-07-142928-X

[4] BARTOŠ, Ľ.: Vybrané problémy kinematiky štandardných kolesových podvozkov mobilných robotov, AT&P journal 2/2008

[5] JURIŠICA Ladislav – HUBINSKÝ Peter – KARDOŠ Ján: Robotika, 2005.

TEXT/PHOTO ING. ĽUBICA MIKOVÁ, PHD., DR.H.C. MULT. PROF. ING. FRANTIŠEK TREBUŇA, CSC., DOC. ING. MICHAL KELEMEN, KATEDRA APLIKOVANEJ MECHANIKY A MECHATRONIKY, SJF, TU KOŠICE