Πατέντα “PaTS-Wheel” (προσαρμόσημος τροχός) για 🤖ρομπότ | Γιατί όχι και σε αυτοκίνητα για ανώμαλους δρόμους;🚙

Εισαγωγή

Τα περισσότερα κινούμενα ρομπότ χρησιμοποιούν τροχούς που έχουν καλή απόδοση σε ομοιόμορφο και δομημένο έδαφος, όπως σε εργοστάσια και αποθήκες. Ωστόσο, αντιμετωπίζουν προκλήσεις διασχίζοντας αδόμητο έδαφος, όπως διάφορα εμπόδια.

Το “PaTS-Wheel” είναι ένας παθητικά-μετασχηματιζόμενος τροχός που μπορεί να μεταμορφωθεί για να αγκιστρώσει όταν εμφανιστεί το εμπόδιο. Η παθητική απόδοση αυτού του χρήσιμου μορφολογικού χαρακτηριστικού καθοδηγείται καθαρά από τη γεωμετρία του εμποδίου.

Ενώ οι τυπικοί κυκλικοί τροχοί προσφέρουν ομαλή οδήγηση και αποτελεσματικότητα σε ομοιόμορφο και δομημένο έδαφος, μπορούν να δυσκολευτούν να κινηθούν σε ανώμαλο έδαφος και εμπόδια που απαιτούν προσπέλαση. Εξαιτίας αυτού, έχουν δημιουργηθεί λύσεις που εφαρμόζουν πόδια για να βοηθήσουν τα ρομπότ να ξεπεράσουν υψηλότερης δυσκολίας εμπόδια.

Τα στοιχεία

Η κατανάλωση ενέργειας και το προφίλ δόνησης του PaTS-Wheel σε επίπεδο έδαφος είναι συγκρίσιμα με έναν τυπικό τροχό ίδιου μεγέθους. Επιπλέον, ο νέος σχεδιασμός των τροχών μας δοκιμάστηκε διασχίζοντας διαφορετικά εδάφη με κλιμακωτά εμπόδια αυξανόμενου ύψους. Το PaTS-Wheel πέτυχε ποσοστό επιτυχίας 100% στη διέλευση βαθμιδωτών εμποδίων με ύψη ≈ 70% της διαμέτρου του, υψηλότερα από τα αποτελέσματα που προέκυψαν για έναν ισοδύναμο τροχό (≈ 25% η διάμετρός του) και ένα ισοδύναμο “wheg” δηλαδή το πόδι του τροχού ή η ακτίνα του (≈ 61% η διάμετρός του).Αυτό έχει την ίδια απόδοση με την απόδοση που έχουν ρομπότ με πόδια και όλα αυτά χωρίς να απαιτούνται αισθητήρες, ενεργοποιητές ή ελεγκτές.

“Whegs” (ακτίνες του τροχού)

Όσο αφορά τα “Whegs” έχουν υπάρξει μια δημοφιλής ερευνητική επιλογή για ρομπότ που εισέρχονται σε περιβάλλοντα υψηλής εδαφικής δυσκολίας στην προσπέλαση, λόγω της απλοποιημένης δομής και ελέγχου τους σε σύγκριση με συστήματα με πλήρη πόδια.

Τα “Whegs” απαιτούν επίσης υψηλότερη ροπή από τους τροχούς σε επίπεδο έδαφος, μειώνοντας τον χρόνο αποστολής και ασκώντας περιττή πίεση στους ενεργοποιητές, τα κυκλώματα μετάδοσης κίνησης και τα συστήματα μπαταριών. Οπότε τα κάνει να είναι ενεργεία μη αποδοτικά. 

“PaTS-Wheel” (προσαρμόσιμος τροχός)

Το “PaTS-Wheel”  εστιάζει στη μηχανική απλότητα για την επίτευξη ενσωματωμένης νοημοσύνης, ένας παθητικά μετασχηματιζόμενος ενιαίος (μονομπλόκ) τροχός.Ο σχεδιασμός του τροχού χρησιμοποιεί έναν σύνδεσμο που βασίζεται σε κάμψη για να μεταμορφώνεται όταν υπάρχει εμπόδιο, επιτρέποντάς του να αγκιστρωθεί σε ένα αντικείμενο και να ωθηθεί (ο τροχός) προς τα πάνω.

Το σχέδιό αυτό βρίσκεται μεταξύ των κατηγοριών “Linkage Claw” (σύνδεσμος με νύχι σε ελεύθερη μετάφραση) και “Passive Pad Deform” (παθητική παραμόρφωση με μαξιλάρι σε ελεύθερη μετάφραση) και χρησιμοποιεί την παραμόρφωση του μαξιλαριού για να ενεργοποιήσει το νύχι. Αυτός ο σχεδιασμός είναι μοναδικός στην κατηγορία των παθητικών για διάφορους λόγους:

– δεν απαιτεί στάσιμο τροχού για να ενεργοποιηθεί (που σημαίνει ότι δεν μεταμορφώνεται κατά την επιτάχυνση ή την επιβράδυνση), 

-μπορεί να γίνει πραγματικά αμφίδρομος ώστε να μπορεί να διασχίζει και να σκαρφαλώνει εμπόδια ανεξάρτητα από την κατεύθυνση οδήγησης, και -μπορεί να παραχθεί ως ενιαίο εξάρτημα.

Πειραματική διαδικασία

Δοκιμάστηκε το σχέδιο του τροχού σε πολλά διαφορετικά εμπόδια με διάφορες φυσικές ιδιότητες.Αυτά περιελάμβαναν σκληρότερα αντικείμενα όπως πέτρες και βράχους και πιο μαλακά αντικείμενα όπως πετσέτες και παπλώματα. Δοκιμάστηκε επίσης το “PaTS-Wheel” ως προς τη δυνατότητα προσπέλασης σε σκάλες ή σκαλοπάτια κατασκευασμένα από κουτιά και πέτρες.

Επίσης πραγματοποιήθηκε μια σειρά πειραμάτων για να συγκρίνουν και να αξιολογήσουν τους διαφορετικούς τύπους τροχών: απόδοση ισχύος οδήγησης, προφίλ δόνησης, μέγιστο ύψος αναρρίχησης και κατανάλωση ενέργειας κατά τη διέλευση.

Δοκιμάσανε την αποτελεσματικότητα της οδήγησης με καθέναν από τους τρεις τύπους τροχών σε τρεις φυσικά διαφορετικές επιφάνειες: ξύλινο πάτωμα, τεχνητό γρασίδι στην κορυφή του ξύλινου δαπέδου και τεχνητό γρασίδι πάνω από αφρό ταπετσαρίας με πάχος 2′′ (περίπου 5 cm).Το ρομπότ πραγματοποίησε 25 δοκιμές και συνολική απόσταση 1m και η στιγμιαία λήψη ρεύματος μετρήθηκε στα 100 Hz χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα ρεύματος εφέ Hall (ACS712 συνδεδεμένο με ένα Raspberry Pi Pico).

Και στις δύο άκαμπτες επιφάνειες (ξύλο και γρασσίδι) δεν υπήρχε σημαντική διαφορά μεταξύ της κατανάλωσης ισχύος του “τυπικού” τροχού και του “PaTS-Wheel”. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η υβριδική λύση μετακινείται στα επίπεδα μεταξύ τροχού και “Wheg” σε σπογγώδες έδαφος.

Συμπέρασμα

Δοκιμάσανε τρείς τρχούς που έχουν την ίδια διάμετρο 120 mm. Ο καινοτόμος αυτός σχεδιασμός υπερτερεί του wheg και ταιριάζει με τον τυπικό τροχό όσον αφορά την ενεργειακή απόδοση. Επιτυγχάνει επίσης ανώτερη ικανότητα αναρρίχησης ύψους, καταγράφοντας 100% ποσοστό επιτυχίας διασχίζοντας εμπόδια με ύψος 83 mm (≈ 70% η διάμετρός του), υψηλότερο από τα αποτελέσματα που λαμβάνονται για ισοδύναμο τροχό στα 30 mm (≈ 25% η διάμετρός του) και ισοδύναμο wheg στα 73 mm (≈ 61% της διαμέτρου του).

Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι αυτός ο νέος σχεδιασμός συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των τροχών και θα μπορούσε να προστεθεί σε κινούμενα ρομπότ για να βελτιώσει την ικανότητα και την αποτελεσματικότητα της μετακίνησης και της διέλευσης σε μη δομημένα και ακατάστατα περιβάλλοντα.

Η ερώτηση

Θα μπορούσε η συγκεκριμένη πατέντα να εφαρμοστεί σε οχήματα (τζίπ) ανώμαλου εδάφους είτε είναι επιβατικά, είτε σε οχήματα βαρέως τύπου;

Ποιά τα μειονεκτήματα/πλεονεκτήματα κατα την άποψη σου;

Πηγή

“PaTS-Wheel: A Passively-Transformable Single-part Wheel for Mobile Robot Navigation on Unstructured Terrain” Thomas Godden, Barry W. Mulvey, Ellen Redgrave, and Thrishantha Nanayakkara”