Confronto tra i sistemi di trazione dei robot mobili: 2WD, 4WD, 4WS e robot cingolati

Il sistema di propulsione di un robot mobile determina dove può operare, cosa può trasportare e con quale precisione può posizionarsi, incidendo per il 10–25% sul costo totale della distinta base (BOM) dell’AMR e per il 25–40% sul consumo energetico.

Questa guida mette a confronto le quattro principali architetture di trasmissione degli AMR — differenziale a 2 ruote motrici (2WD), trazione integrale a sterzo a slittamento (4WD), sterzo a quattro ruote (4WS) e trazione cingolata — in base a criteri quali capacità di carico utile, precisione di posizionamento, compatibilità con le pavimentazioni, efficienza energetica e costo totale di proprietà, in modo che i team di ingegneria e approvvigionamento possano scegliere il telaio più adatto alle esigenze operative basandosi su dati concreti anziché su affermazioni di marketing.

Confronto tra i sistemi di trazione dei robot mobili: 2WD, 4WD, 4WS e robot cingolati

In breve

1. Trazione a due ruote motrici con differenziale

La trazione a differenziale 2WD è l'opzione più semplice ed economica. Funziona bene su pavimenti lisci e pianeggianti con carichi da leggeri a medi. Se la vostra struttura dispone di pavimenti in resina epossidica o cemento a livello e dovete movimentare contenitori o piccoli pallet, iniziate da qui.

2. Minipala a trazione integrale

La minipala a trazione integrale (4WD) offre maggiore trazione e una migliore distribuzione del carico. È in grado di gestire carichi utili più pesanti e superfici leggermente più irregolari rispetto al modello a trazione anteriore (2WD), ma in cambio perde un po’ di agilità nel movimento all’interno dell’area di lavoro.

3. 4WS (sterzo a quattro ruote)

Il sistema 4WS (sterzo a quattro ruote) garantisce una manovrabilità omnidirezionale e la massima precisione di posizionamento. È la scelta giusta quando è richiesta una precisione di attracco di ±2 mm, si opera in corridoi stretti o si movimentano carichi utili superiori a 1.000 kg.

4. Trasmissione a cingoli

Il sistema di trazione a cingoli è lo specialista degli ambienti esterni e dei terreni accidentati. Supera ostacoli che i robot su ruote non riescono a superare, affronta pendenze più ripide e trasporta carichi proporzionalmente più pesanti — a scapito della velocità, dell’efficienza energetica e dell’usura dei pavimenti interni.

Non esiste un unico sistema di azionamento che possa essere definito “il migliore”. La scelta giusta dipende dal tipo di pavimento, dai requisiti di carico utile, dai vincoli di spazio, dalle esigenze di precisione e dal budget a disposizione.

Questa guida illustra in dettaglio ciascun sistema, in modo che possiate prendere una decisione basata su dati tecnici precisi, anziché su generiche affermazioni di marketing.

Perché la scelta del sistema di azionamento AMR è determinante per tutto ciò che viene dopo

Il sistema di azionamento non è semplicemente uno dei tanti componenti. È la scelta architettonica che determina come si muove il robot, dove può operare, cosa può trasportare, con quale precisione si posiziona, quanta energia consuma e quanto costa acquistarlo e mantenerlo.

Modificando il sistema di trazione, si modificano tutti gli aspetti a valle: il dimensionamento del motore, la capacità della batteria, l’architettura di controllo, la configurazione dei sistemi di sicurezza, i requisiti di preparazione del pavimento e il costo totale di proprietà nell’arco di un ciclo di vita della flotta compreso tra 5 e 7 anni.

Eppure, in molti processi di approvvigionamento, il sistema di azionamento viene considerato semplicemente come una voce da spuntare nella scheda tecnica, anziché come una scelta strategica. Questo articolo è rivolto agli ingegneri e ai responsabili operativi che devono prendere tale decisione basandosi su dati concreti, non su affermazioni di marketing.

Argomenti trattati in questo articolo:

• Le quattro architetture di trazione prevalenti oggi nei robot mobili industriali sono: trazione differenziale a 2 ruote motrici (2WD), trazione a 4 ruote motrici con sterzo a slittamento (4WD skid-steer), sterzo indipendente a 4 ruote (4WS) e trazione a cingoli
• Come funziona ogni sistema dal punto di vista meccanico ed elettrico
• Dati prestazionali relativi a carico utile, velocità, precisione, compatibilità con i pavimenti e consumo energetico
• Un quadro decisionale che mette in relazione le vostre esigenze operative con il sistema di azionamento più adatto
• Norme di sicurezza pertinenti (ISO 3691-4, ANSI/RIA R15.08) e come la scelta del sistema di azionamento influisca sull'architettura di sicurezza

Cosa non tratta questo articolo:

• Sistemi Mecanum e omni-wheel (si tratta di configurazioni speciali destinate a casi d’uso specifici; ne parleremo in un articolo a parte)
• Locomozione su gambe o ibrida (al di fuori dell'ambito delle piattaforme industriali su ruote o cingolate)
• Robotica per consumatori o hobbisti

Tabella comparativa dei sistemi di azionamento dei robot mobili

Trasmissione a trazione anteriore (2WD) con differenziale AMR

Come funziona

Un robot a trazione differenziale utilizza due ruote azionate in modo indipendente montate su un asse comune, solitamente al centro del telaio. Una o più ruote passive di rotazione garantiscono l'equilibrio: due ruote di rotazione in una configurazione a 4 ruote, oppure quattro ruote di rotazione in una configurazione a 6 ruote per carichi più pesanti.

La sterzata avviene interamente grazie alla differenza di velocità tra la ruota motrice sinistra e quella destra. Se entrambe le ruote motrici avanzano alla stessa velocità, il robot procede in linea retta. Se la ruota sinistra gira più velocemente di quella destra, il robot svolta a destra. Se le ruote girano a velocità uguali ma opposte, il robot ruota su se stesso attorno al proprio centro.

Non ci sono né motore dello sterzo, né leveraggio dello sterzo, né perno di articolazione, né angolo di sterzata servocomandato. I motori di trazione svolgono tutto il lavoro e il sistema di controllo è di conseguenza semplice: un regolatore predittivo di tipo PID che regola la velocità di ciascuna ruota in base al feedback dell'encoder.

Proprio questa semplicità è il punto di forza principale dell’architettura. È anche la fonte di ogni limite che ne deriva.

Componenti chiave

1. Due motori di azionamento

In genere motori a corrente continua senza spazzole (BLDC) con riduttori planetari o armonici integrati. Intervallo di potenza tipico: 200–750 W per motore per gli AMR da magazzino.

2. Encoder incrementali

Uno per ogni motore di azionamento, in genere da 1.024 a 4.096 PPR (impulsi per giro). Questi sensori forniscono il feedback di velocità e posizione per il circuito di controllo. I sistemi di azionamento differenziale non dispongono di encoder di sterzo assoluti, poiché non vi è alcun asse di sterzo da misurare.

3. Ruote passive

Ruote con battistrada in poliuretano, solitamente di diametro compreso tra 75 e 150 mm, dotate di testine girevoli a doppio cuscinetto. Si tratta di componenti soggetti a usura che vengono sostituiti ogni anno in contesti operativi 24 ore su 24, 7 giorni su 7.

4. Driver/controllori per motori

Azionamenti collegati in rete tramite CANopen o EtherCAT, spesso dotati di funzione STO (Safe Torque Off) integrata per garantire la conformità ai requisiti di sicurezza funzionale.

5. Sospensione (opzionale)

Supporti per ruote piroettanti a molla o un perno centrale per mantenere il contatto con il suolo su pavimenti leggermente irregolari. Molti robot entry-level a trazione differenziale non dispongono di sospensioni e dipendono dalla planarità del pavimento.

Caratteristiche prestazionali

1. Carico utile

Nelle configurazioni industriali standard, i robot con trazione a due ruote motrici (2WD) gestiscono carichi utili fino a 300–500 kg. Il fattore limitante non è la coppia motrice — è sempre possibile specificare motori più potenti. Il vero vincolo è la capacità di carico delle rotelle e la pressione sul pavimento. Ogni rotella sostiene all’incirca metà del carico utile più una frazione del peso del robot stesso. Con una configurazione a 4 rotelle in poliuretano da 75 mm con una portata nominale di 150 kg ciascuna, il limite pratico del carico utile si aggira intorno ai 500 kg. Abbiamo visto integratori spingere questo limite fino a 600 kg con rotelle da 100 mm, ma a quel punto il carico sul pavimento inizia a causare problemi di manutenzione.

Oltre i 500 kg, le rotelle iniziano a usurarsi rapidamente, la marcatura del pavimento diventa un problema e lo spazio di arresto del robot sotto carico supera i limiti consentiti dalle norme di sicurezza, a meno che non si passi a rotelle e motori più grandi e costosi. A quel punto, la trazione integrale (4WD) o le quattro ruote sterzanti (4WS) diventano la scelta più economica.

2. Velocità

1,5–2,0 m/s (5,4–7,2 km/h) è l'intervallo operativo tipico per gli AMR a trazione differenziale utilizzati nei magazzini. Si tratta di una velocità sufficiente per la maggior parte delle attività intralogistiche: un robot che si muove a 1,8 m/s percorre un corridoio di magazzino lungo 100 metri in meno di un minuto. Sono possibili velocità più elevate, ma comportano requisiti aggiuntivi relativi alla portata dei sensori di sicurezza secondo la norma ISO 3691-4.

3. Precisione di posizionamento

 I produttori indicano una tolleranza di ±10 mm per i robot a trazione differenziale in condizioni reali. Tale valore presuppone una superficie ben mantenuta, pneumatici pieni e una calibrazione regolare dell’encoder. Se si aggiungono polvere, umidità o irregolarità del terreno, la precisione si riduce rapidamente: lo slittamento delle ruote introduce errori di odometria che l’encoder da solo non è in grado di rilevare.

Questo è il limite fondamentale della precisione della trazione differenziale. Il sistema deduce indirettamente l’angolo di sterzata e la posizione dalla velocità delle ruote. Quando una ruota slitta, l’encoder segnala un movimento che non si è mai verificato. Il sistema di controllo non ha alcun modo indipendente per rendersi conto di essere stato ingannato. Le IMU e la localizzazione basata su SLAM compensano a livello di navigazione, ma la precisione della navigazione a stima a livello di guida rimane limitata, indipendentemente dalla qualità del proprio stack di navigazione.

4. Requisiti relativi al pavimento

Liscio, piano, livellato e pulito. I robot a trazione differenziale necessitano di un contatto continuo con il suolo da parte di entrambe le ruote motrici. Un avvallamento, un dosso o un detrito che sollevi una ruota motrice anche solo di pochi millimetri fa deviare il robot dalla traiettoria, poiché la ruota sollevata gira liberamente mentre quella a contatto con il suolo spinge il robot descrivendo un arco. I pavimenti in calcestruzzo rivestiti con resina epossidica e in buone condizioni sono l’ideale. Il calcestruzzo lucidato con un coefficiente di attrito inferiore a 0,5 può causare scivolamenti. La planarità del pavimento deve soddisfare o superare i requisiti FF35/FL25 secondo le specifiche ACI 117.

5. Efficienza energetica

La trazione differenziale è la configurazione su ruote più efficiente dal punto di vista energetico. Con solo due motori di trazione e nessun attuatore di sterzo che consuma energia, le perdite parassite sono le più basse rispetto a qualsiasi altra architettura di trazione. Un tipico AMR con trazione differenziale e carico utile di 200 kg consuma 400–800 W durante la marcia in regime stazionario su una superficie piana, il che si traduce in 6–8 ore di funzionamento con una batteria LiFePO4 da 48 V/60 Ah.

6. Costo

Il sistema di trasmissione — composto da due gruppi motore+riduttore+encoder+driver, due ruote motrici e una serie di rotelle — ha un costo a livello di distinta base (BOM) compreso tra $2.000 e $5.000 per i componenti di livello industriale. Questo è il valore di riferimento. Ogni altra configurazione viene valutata in base a questo valore.

Quando scegliere la trazione a due ruote motrici (2WD)

Scegli la trazione differenziale quando:

• I vostri carichi sono inferiori a 500 kg
• I vostri pavimenti sono lisci, piani e in buone condizioni
• I tuoi percorsi sono relativamente semplici (da punto a punto, senza manovre strette)
• State effettuando un'implementazione su larga scala e il costo unitario è un fattore importante
• La tolleranza di accoppiamento è di ±10 mm o superiore
• Vuoi un programma di manutenzione il più semplice possibile

Non selezionare la trazione differenziale nei seguenti casi:

• I vostri pavimenti presentano dislivelli, giunti di dilatazione o irregolarità
• È necessario essere in grado di muoversi lateralmente (come un granchio)
• È necessaria una precisione di aggancio inferiore a ±5 mm
• Il carico supera i 500 kg
• Si opera in ambienti umidi, polverosi o soggetti alla presenza di detriti, dove è probabile che le ruote slittino

Sistema di trazione del robot mobile a minipala 4WD

Come funziona

Un robot skid-steer a trazione integrale utilizza quattro ruote motrici disposte in due coppie, una per ciascun lato. Tutte le ruote di ciascun lato sono collegate meccanicamente o sincronizzate elettronicamente in modo da ruotare alla stessa velocità. La sterzata si ottiene tramite un differenziale di velocità tra il lato sinistro e quello destro: lo stesso principio di un differenziale a trazione anteriore, ma con quattro ruote motrici anziché due.

Il vantaggio principale rispetto alla trazione a due ruote motrici (2WD) è la trazione. Grazie a quattro punti di contatto invece che a due, il robot è in grado di trasmettere una coppia motrice maggiore al pavimento prima che le ruote inizino a slittare. Ciò si traduce direttamente in una maggiore capacità di carico, una migliore capacità di salita e un movimento più affidabile su pavimenti con un livello moderato di contaminazione (polvere, umidità leggera).

Il compromesso è lo slittamento. Quando un robot a trazione integrale (4WD) svolta, le ruote esterne scivolano lateralmente sul pavimento perché il loro orientamento è bloccato. Con ruote in poliuretano su superficie epossidica, si sente un cigolio caratteristico e si nota un'usura accelerata degli pneumatici, specialmente sulle ruote anteriori e posteriori che percorrono la maggiore distanza laterale durante le curve. Se avete mai osservato una minipala compatta al lavoro sul cemento, sapete esattamente che rumore produce.

Componenti chiave

1. Quattro motori di azionamento

Uno per ruota, in genere da 200 a 750 W ciascuno per i robot da magazzino. Lo standard rimane il motore BLDC con riduttori planetari. Alcuni modelli utilizzano due motori più grandi per azionare ciascun lato tramite un sistema di trasmissione meccanica (cinghia o catena), il che riduce il numero di motori ma aumenta la complessità meccanica.

2. Sincronizzazione dei motori

La sincronizzazione elettronica tramite CANopen o EtherCAT rappresenta l'approccio più moderno. I modelli più datati o più economici utilizzano un accoppiamento meccanico (un singolo motore per lato con albero di trasmissione e differenziale), ma ciò impedisce il controllo indipendente delle ruote.

3. Sospensione

Questo aspetto è più critico nei robot a trazione integrale (4WD) rispetto a quelli a trazione anteriore (2WD). Se una ruota perde il contatto con il terreno su una superficie irregolare, il robot perde trazione su quel lato in proporzione alla perdita di contatto. Nei robot a trazione integrale di fascia alta sono comuni le sospensioni a bilanciere-carrello o a braccio oscillante indipendente. Il precarico delle molle deve essere regolato con cura: se troppo morbido, il robot oscilla sotto carico; se troppo rigido, la sospensione non si articola.

4. Pneumatici

Diametro maggiore rispetto ai modelli equivalenti a trazione 2WD (in genere 200–400 mm contro 125–250 mm) per consentire l’escursione delle sospensioni e distribuire i carichi più elevati. Il poliuretano rimane il materiale standard; gli pneumatici compaiono sui robot a trazione 4WD adatti all’uso all’aperto.

Caratteristiche prestazionali

1. Carico utile

I robot skid-steer a trazione integrale movimentano abitualmente carichi compresi tra 200 e 2.000 kg. La fascia inferiore (200–500 kg) è destinata ai robot compatti da magazzino; quella superiore (1.000–2.000 kg) è riservata agli AMR per la movimentazione di pallet e ai carrelli elevatori autonomi. Grazie alle quattro superfici di contatto che distribuiscono il carico, la pressione sul pavimento per ruota è inferiore a quella di un robot a trazione anteriore (2WD) che trasporta lo stesso carico utile, riducendo così l’usura del pavimento e i guasti legati alle rotelle.

2. Velocità

1,5–2,5 m/s. In pratica è più veloce rispetto alla trazione a due ruote motrici (2WD), poiché la trazione aggiuntiva consente accelerazioni e decelerazioni più elevate senza slittamento delle ruote. La velocità massima è in genere limitata dalla portata del sensore di sicurezza, non dalle capacità del motore.

3. Precisione di posizionamento

±5–10 mm. Migliore rispetto alla trazione 2WD perché la minore slittata delle ruote rende più affidabile l’odometria basata sull’encoder. Tuttavia, il meccanismo di sterzata dello skid-steer introduce una propria fonte di errore: durante una svolta, lo sfregamento laterale degli pneumatici è imprevedibile e varia a seconda delle condizioni del pavimento, dell’usura degli pneumatici e della distribuzione del carico.

4. Requisiti relativi al pavimento

Più piana e robusta rispetto ai requisiti per i veicoli a trazione anteriore (2WD). Durante ogni svolta, il robot a sterzo a slittamento esercita forze laterali sulla superficie del pavimento. I rivestimenti epossidici devono essere correttamente aderenti e avere uno spessore sufficiente per resistere alla delaminazione. I pavimenti in calcestruzzo devono essere sigillati per impedire la formazione di polvere dovuta all’abrasione degli pneumatici. La superficie del pavimento presenterà segni visibili di usura lungo i percorsi del robot già poche settimane dopo la sua messa in servizio: ciò è normale e deve essere previsto nel budget destinato alla manutenzione della struttura.

5. Efficienza energetica

Inferiore rispetto a un robot a trazione anteriore (2WD) a causa dei quattro motori e dell’energia persa per lo sfregamento degli pneumatici in curva. Si prevede un consumo energetico superiore di 15–25% per metro percorso rispetto a un robot a trazione anteriore (2WD) di peso simile. In una tipica applicazione AMR in magazzino, un robot a trazione integrale (4WD) consuma 600–1.000 W durante la marcia a regime costante.

6. Costo

Il sistema di trazione costa da 1,5 a 2 volte di più rispetto all’equivalente a trazione anteriore (2WD). Quattro gruppi motore+riduttore+encoder, quattro driver, quattro ruote e un sistema di sospensioni incidono sul costo complessivo. Le sospensioni rappresentano la voce di costo più consistente: un sistema di sospensioni indipendenti adeguato, con bracci oscillanti lavorati a macchina e gruppi molla-ammortizzatore, può costare quanto i motori stessi che sostiene.

Quando scegliere una minipala a trazione integrale

Scegli una minipala a trazione integrale quando:

• Il carico utile è compreso tra 500 e 2.000 kg
• I pavimenti sono generalmente livellati, ma potrebbero presentare lievi imperfezioni
• Per l'accelerazione, la decelerazione o le lievi salite è necessaria una trazione migliore rispetto alla trazione anteriore (2WD)
• Il tuo budget consente un sovrapprezzo del 1,5–2 volte rispetto alla versione a trazione anteriore (2WD)
• Si accetta una certa usura della superficie del pavimento causata dalla minipala

AGV/AMR a quattro ruote sterzanti (4WS)

Come funziona

Un robot 4WS utilizza quattro ruote motrici sterzabili in modo indipendente, una per ogni angolo del telaio. Ciascun gruppo ruota (talvolta denominato “ruota motrice sterzante” o “ruota motrice sterzante”) integra due motori: un motore di trazione che aziona la ruota in avanti e indietro e un motore di sterzo che ruota l’intero gruppo ruota attorno a un asse verticale.

Questa architettura a doppio motore per ruota conferisce al sistema di controllo il potere di gestire in modo indipendente sia la velocità che l'angolo di sterzata di ogni ruota. Il risultato è una vera mobilità omnidirezionale: il robot può muoversi in avanti, indietro, lateralmente (modalità granchio), in diagonale o ruotare sul posto, e può passare da una modalità all'altra senza fermarsi.

Il vantaggio in termini di precisione deriva dall’encoder assoluto presente su ciascun asse dello sterzo. A differenza della trazione differenziale, che deduce l’angolo di sterzata dalla velocità delle ruote (una misurazione indiretta soggetta a slittamento), il sistema 4WS misura direttamente l’angolo di sterzata effettivo su ciascuna ruota. Un tipico encoder di sterzo ha una risoluzione di ±0,1°, il che si traduce in un controllo laterale inferiore al millimetro a livello del telaio.

Componenti principali (per ruota)

1. Motore di trazione

Motore BLDC con riduttore epicicloidale, da 200 W a 2 kW a seconda della classe di carico utile. Funziona in genere a 24–48 V CC con freno di stazionamento integrato.

2. Motorino di sterzo

Di dimensioni inferiori rispetto al motore di trazione (100–500 W), dotato di un riduttore a vite senza fine o armonico ad alto rapporto per mantenere l'angolo di sterzata nonostante le forze esercitate dalla strada. Il riduttore deve consentire una retrazione sufficiente affinché l'encoder dello sterzo possa rilevare i disturbi esterni, ma deve essere abbastanza rigido da mantenere la posizione sotto carico.

3. Encoder assoluto (asse dello sterzo)

Questo è il componente che garantisce la precisione dell'architettura. Si tratta in genere di un encoder assoluto multigiro con una risoluzione di 17–19 bit, in grado di fornire una misurazione angolare precisa anche dopo i cicli di accensione e spegnimento. Non è necessaria alcuna procedura di homing all'avvio.

4. Encoder incrementale (asse di trazione)

Encoder a quadratura standard, 1.024–4.096 PPR.

5. Cuscinetto dello sterzo

Un anello di rotazione di grande diametro o un cuscinetto a rulli incrociati che sostiene l'intero carico verticale di quell'angolo del robot, oltre al carico utile, consentendo al contempo una rotazione fluida. Si tratta di un componente costoso e di alta precisione.

6. Driver/controllore

Un servoazionamento a doppio asse che regola simultaneamente sia l'angolo di sterzata che la velocità di trazione. EtherCAT con FSoE (FailSafe over EtherCAT) per l'integrazione della sicurezza funzionale.

Caratteristiche prestazionali

1. Carico utile

Il 4WS è l'architettura ideale per carichi pesanti. Le unità di azionamento a sterzo singolo di produttori quali SEW-Eurodrive e CFA offrono capacità di carico che vanno da 500 kg a oltre 6.500 kg per gruppo ruota. Un robot a quattro ruote 4WS che utilizza azionamenti a sterzo di dimensioni adeguate è in grado di gestire carichi utili che risulterebbero impraticabili con qualsiasi altra configurazione.

Ecco perché l’architettura 4WS è la soluzione dominante per carrelli elevatori autonomi, trasportatori di pallet pesanti e piattaforme logistiche per esterni. Quando occorre spostare 2.000 kg di materiale e agganciarlo a una linea di produzione con una ripetibilità di ±2 mm, l’architettura 4WS è l’unica soluzione su ruote in grado di soddisfare entrambi i requisiti contemporaneamente.

2. Velocità

1,0–2,0 m/s. La velocità massima è in genere limitata da considerazioni di sicurezza e dalla capacità del sistema di sterzo di mantenere il controllo dell'angolo di sterzata in presenza di carichi dinamici, non dalla potenza del motore. A velocità più elevate, i motori di sterzo devono lavorare di più per mantenere l'angolo di sterzata contro le forze in curva, e la larghezza di banda del circuito di controllo diventa il fattore limitante.

3. Precisione di posizionamento

±2–5 mm nel punto di aggancio, con una ripetibilità che arriva fino a ±2 mm in condizioni controllate. Questo è il vantaggio distintivo di questa architettura. La combinazione tra la misurazione diretta dell’angolo di sterzata (encoder assoluti), il controllo indipendente delle ruote e la capacità di correggere la posizione tramite movimenti laterali senza dover riorientare il telaio garantisce una precisione che i sistemi differenziali e a sterzo a slittamento non sono in grado di eguagliare.

Ciò è particolarmente importante in applicazioni quali la movimentazione di wafer semiconduttori, l’alimentazione di precisione nelle linee di assemblaggio e la consegna di campioni in ambito ospedaliero, dove un errore di posizionamento di 10 mm può causare il mancato prelievo o una collisione.

4. Manovrabilità: Omnidirezionale. Le quattro modalità standard sono:

• Modalità Ackermann: Le ruote anteriori sono sterzanti, quelle posteriori fisse — proprio come in un’auto. Efficiente per i tragitti lunghi e rettilinei.
• Modalità "Crab": Tutte e quattro le ruote sterzano con lo stesso angolo. Il robot si sposta in diagonale o lateralmente mantenendo l’orientamento del telaio. Caratteristica fondamentale per l’attracco in corridoi stretti.
• Rotazione a raggio zero: Le ruote sterzano tangenzialmente rispetto a un cerchio con centro nel robot. Il robot ruota sul posto senza traslazione: questo comporta una minore usura del pavimento rispetto alla rotazione con sterzo a slittamento.
• Modalità indipendente: Ogni ruota è orientata secondo un proprio angolo. Viene utilizzato per manovre specifiche, come la rotazione attorno a un angolo.

5. Requisiti relativi al pavimento

È meno esigente in termini di planarità rispetto alla trazione differenziale, poiché le sospensioni indipendenti su ciascun angolo mantengono il contatto con il terreno anche in presenza di variazioni moderate della superficie. Tuttavia, il pavimento deve garantire un attrito costante: una zona scivolosa sotto una ruota durante una manovra di precisione può far perdere a quella ruota la capacità di sterzata, e il sistema di localizzazione del robot rileverà l’errore e si fermerà, causando il fallimento della manovra.

6. Efficienza energetica

La configurazione con ruote più pesante. Gli otto motori (quattro di trazione + quattro di sterzo) consumano energia anche quando il robot è fermo, poiché i motori di sterzo devono mantenere la posizione contro le forze esterne. In pratica, i robot 4WS consumano 25–40% di energia in più per metro rispetto ai robot 2WD equivalenti. Ciò si traduce in batterie più grandi, tempi di ricarica più lunghi o ore di funzionamento ridotte a parità di capacità della batteria.

7. Costo

Il sistema di trasmissione costa da 3 a 5 volte di più di un differenziale a trazione anteriore (2WD). Fate voi i conti: quattro unità di trasmissione a doppio motore con encoder assoluti, quattro servoazionamenti a doppio asse, quattro cuscinetti di rotazione e i cablaggi. Un'unità di azionamento sterzante di livello industriale — motore, riduttore, encoder, cuscinetto, senza driver — costa da $1.500 a $4.000 a seconda della classe di carico. Moltiplicate per quattro. Aggiungete quattro driver a doppio asse da $1.000–$2.000 ciascuno. Si arriva a un costo compreso tra $10.000 e $24.000 per robot solo per il sistema di azionamento — senza contare il telaio, la batteria, i sensori o il sistema di controllo. Questo è il prezzo della precisione.

Questo costo è giustificato quando i requisiti di precisione e carico utile lo richiedono. Non lo è invece quando un robot con differenziale a trazione anteriore (2WD) sarebbe in grado di soddisfare gli stessi requisiti operativi a un costo pari a un quarto di quello del sistema di trasmissione.

Quando scegliere il sistema 4WS (sterzo a quattro ruote)

Scegli 4WS quando:

• È necessaria una precisione di aggancio pari a ±5 mm o superiore
• La vostra struttura presenta corridoi stretti che richiedono spostamenti laterali (a granchio)
• Il carico utile supera i 1.000 kg
• È necessario che il robot cambi direzione senza dover riorientare il proprio telaio (trasportatori collegati, carichi delicati)
• I tuoi pavimenti sono talmente irregolari che un differenziale a trazione anteriore perderebbe aderenza
• La vostra applicazione richiede che il robot si muova in più direzioni all’interno di spazi ristretti

Non selezionare la modalità 4WS nei seguenti casi:

• Un sistema a trazione anteriore (2WD) o a trazione integrale (4WD) soddisfa le vostre esigenze in termini di precisione e carico utile a un costo inferiore
• Il vostro team non è preparato ad affrontare la complessità della manutenzione (quattro gruppi bimotore, otto encoder da calibrare, un maggior numero di modalità di guasto)
• Il tuo budget energetico è limitato (la trazione 4WS comporta una penalità energetica di 25–40% rispetto alla trazione 2WD)

Robot mobili cingolati

Come funziona

Un sistema di trazione a cingoli sostituisce le ruote con cingoli continui — nastri rinforzati in gomma o acciaio che scorrono attorno a una serie di pignoni di trasmissione, ruote folli e rulli di supporto su ciascun lato del robot. Ciascun cingolo è azionato in modo indipendente da un motore tramite un pignone di trasmissione, mentre la sterzata avviene tramite sterzo a slittamento: variando la velocità del cingolo sinistro rispetto a quello destro.

La caratteristica meccanica distintiva è l’ampia superficie di contatto. Mentre un robot su ruote distribuisce il proprio peso su quattro piccole superfici di contatto (le impronte degli pneumatici), un robot cingolato distribuisce lo stesso peso su tutta la lunghezza e la larghezza di entrambi i cingoli. Ciò riduce drasticamente la pressione al suolo: ecco perché i veicoli cingolati possono attraversare superfici morbide in cui quelli su ruote affondano, come sabbia, fango, neve, ghiaia sciolta e terreno soffice.

Gli svantaggi sono la complessità meccanica, una velocità inferiore, un maggiore consumo energetico e il rischio di danneggiare i pavimenti interni.

Componenti chiave

1. Pignoni di trasmissione

In acciaio o alluminio, con denti che si innestano nei rilievi di trascinamento del cingolo. Il motore aziona direttamente il pignone tramite un riduttore epicicloidale. I pignoni più grandi riducono la tensione e l’usura del cingolo, ma aumentano la larghezza complessiva del robot.

2. Ruote folli

Ruote non motorizzate, anteriori e posteriori, che mantengono la tensione del cingolo e lo guidano lungo il percorso. Solitamente montate su meccanismi di tensionamento (regolatori filettati o a molla) per impostare la corretta tensione del cingolo.

3. Ruote di rotolamento/rulli di supporto

Ruote più piccole, posizionate tra i rulli di guida, sostengono il peso del robot lungo il tratto inferiore del cingolo. Il numero e la distanza tra le ruote sono parametri di progettazione fondamentali: un numero maggiore di ruote di appoggio distribuisce la pressione al suolo in modo più uniforme, ma aumenta il peso e la resistenza al rotolamento.

4. Brani

La gomma rinforzata con cavi interni in acciaio o kevlar è lo standard per i robot industriali. I cingoli in acciaio con cuscinetti in gomma vengono utilizzati in applicazioni con condizioni operative estreme (ad esempio, nell'edilizia e nell'industria mineraria). La larghezza del cingolo e il disegno del battistrada vengono scelti in base al terreno su cui si opera.

5. Motori

Coppia maggiore rispetto ai robot su ruote equivalenti, poiché la trasmissione a cingoli è meccanicamente meno efficiente. Un robot cingolato che trasporta lo stesso carico utile di un robot su ruote necessita di una coppia motrice superiore di circa 25–50% per superare l'attrito dei cingoli.

6. Sospensione

Le ruote sono solitamente montate su un carrello o su una sospensione a barra di torsione per mantenere il contatto dei cingoli con il terreno irregolare. Non si tratta di una scelta facoltativa: un robot cingolato privo di sospensioni perde la tensione dei cingoli e questi si staccano su terreni accidentati.

Caratteristiche prestazionali

1. Rapporto carico utile/peso

I robot cingolati trasportano un carico utile proporzionalmente maggiore rispetto al loro peso rispetto ai robot su ruote. Un robot cingolato da 100 kg può trasportare un carico utile di 100 kg (rapporto 1:1). Un robot su ruote di dimensioni comparabili trasporta un carico utile pari a 25–33% del proprio peso. Ciò rende la trazione cingolata particolarmente interessante per applicazioni in cui il robot stesso deve essere piccolo e leggero, ma il carico utile è consistente — ricognizione, risposta alle emergenze, campionamento agricolo.

2. Capacità fuoristrada

I robot cingolati superano pendenze più ripide (fino a 34° nei test, contro circa 31° per quelli su ruote), superano ostacoli più alti di 60–100% e mantengono una migliore tracciatura del percorso su pendenze superiori a 15°. Su superfici morbide — sabbia, fango, neve, terreno smosso — i robot cingolati si muovono dove quelli su ruote affondano e si bloccano. Questo è il vantaggio distintivo di questa architettura e il motivo per cui domina nelle applicazioni all’aperto, fuoristrada e su tutti i tipi di terreno.

3. Velocità

0,5–1,5 m/s per i robot industriali cingolati. Si tratta di una velocità inferiore rispetto a quella dei modelli equivalenti su ruote (che in genere raggiungono i 1,5–2,5 m/s). La limitazione della velocità ha due cause: l’attrito dei cingoli aumenta con la velocità e i veicoli cingolati sono più difficili da arrestare perché l’ampia superficie di contatto con il terreno, che garantisce la galleggiabilità, comporta anche un maggiore trasferimento di quantità di moto al suolo durante la frenata.

4. Precisione di posizionamento

±10–20 mm, il valore più basso tra le quattro architetture. Lo slittamento dei cingoli è intrinseco alla guida a slittamento: durante le curve, i cingoli devono scivolare lateralmente sul terreno e l’entità dello slittamento varia a seconda del tipo di superficie, dell’umidità della superficie, della tensione dei cingoli e della loro usura. Di conseguenza, l’odometria basata sugli encoder dei motori è inaffidabile. Per un posizionamento preciso sui robot cingolati sono necessari il GPS, il SLAM visivo o un’infrastruttura di localizzazione esterna (ad esempio, riflettori o nastro magnetico).

5. Compatibilità con i pavimenti interni

Scadente. I cingoli in gomma su pavimenti in resina epossidica o cemento lucidato lasciano segni visibili. I cingoli rinforzati in acciaio possono intaccare i pavimenti rivestiti. Il movimento di sterzata laterale raschia la superficie del pavimento. I robot cingolati sono generalmente sconsigliati per i pavimenti interni rifiniti. Se un robot cingolato deve operare in ambienti interni (ad esempio, un robot da cantiere che si sposta tra aree interne ed esterne), sono necessarie misure di protezione del pavimento e la struttura dovrebbe prevedere nel proprio bilancio una regolare rifinitura del pavimento.

6. Efficienza energetica

La più dispendiosa tra tutte le architetture di trasmissione. L’attrito del cingolo, l’elevato numero di elementi rotanti (pignoni, ruote folli, ruote portanti) e la continua deformazione del cingolo mentre compie il proprio ciclo consumano energia. I robot cingolati consumano da 25 a 30% di potenza in più rispetto ai robot su ruote sulla stessa superficie e 50% o più su terreni accidentati. Un robot cingolato che funziona per 4 ore con una batteria potrebbe avere un equivalente su ruote in grado di funzionare per 6–8 ore.

7. Costo

Il sistema di trazione costa da 1,5 a 2,5 volte di più rispetto a un differenziale a trazione anteriore (2WD). I cingoli sono articoli di consumo: un set di cingoli industriali in gomma costa da $500 a $2.000 e dura da 1.000 a 3.000 ore di funzionamento, a seconda dell’abrasività del terreno. La sostituzione dei cingoli rappresenta una voce di manutenzione significativa che non esiste per i robot su ruote.

Quando scegliere la trazione a cingoli

Scegliere una trasmissione a cingoli quando:

• La superficie su cui operi principalmente è all’aperto, non asfaltata, morbida o irregolare
• Devi scalare pendii con pendenza superiore a 20°
• Devi superare ostacoli più alti di 80 mm
• Il rapporto tra carico utile e peso del robot deve essere elevato (0,5:1 o superiore)
• L'usura del pavimento in ambienti interni non è un problema (oppure si opera in ambienti interni solo per brevi spostamenti)

Non scegliere una trasmissione a cingoli quando:

• La superficie di lavoro principale è un pavimento interno rifinito
• È necessaria una precisione di posizionamento superiore a ±10 mm
• È necessario raggiungere velocità di marcia superiori a 1,5 m/s
• La durata della batteria e l'efficienza energetica rappresentano vincoli operativi fondamentali
• State effettuando un'implementazione su larga scala e volete evitare che la sostituzione dei binari costituisca un costo di manutenzione ricorrente

Confronto diretto tra sistemi di azionamento per robot mobili in base a criteri decisionali

Capacità di carico utile

Differenziale 2WD:     ████████░░░░░░░░░░   Fino a 500 kg
Minipala a trazione integrale: ██████████████░░░░   Fino a 2.000 kg
Sterzo 4WS: ██████████████████   Fino a oltre 6.500 kg
Cingolato: ████████████░░░░░░   Fino a oltre 2.000 kg
 (ma con un eccellente rapporto carico utile/peso)

Precisione di posizionamento (più basso è meglio)

La differenza tra ±10 mm e ±2 mm può sembrare minima. Tuttavia, in un ambiente di produzione, è la differenza tra un robot che effettua l'aggancio in modo affidabile il 99,5% delle volte e uno che richiede un intervento manuale diverse volte per turno.

Compatibilità con le superfici del pavimento

Struttura dei costi nell'arco di un ciclo di vita quinquennale

Si tratta di stime dell’ordine di grandezza relative a un singolo robot che opera un turno al giorno. Un'attività operativa 24 ore su 24, 7 giorni su 7, con 3 turni, moltiplica i costi dei materiali di consumo e di manutenzione di circa 2,5–3 volte. Una flotta di 10 robot moltiplica tali costi per 10, ma con alcune economie di scala relative alle scorte di pezzi di ricambio e al tempo impiegato dai tecnici.

Come scegliere il sistema di azionamento AMR più adatto?

La scelta del sistema di trasmissione si riduce a cinque domande. Rispondete in ordine.

Domanda 1: Dove opererà il robot?

• Pavimenti lisci per interni (resina epossidica, calcestruzzo lucidato): 2WD, 4WD o 4WS sono tutte opzioni valide. La trazione 2WD rappresenta il punto di partenza più conveniente in termini di costi.
• Pavimenti interni irregolari (calcestruzzo non sigillato, crepe, giunti): 4WD o 4WS. Con la trazione 2WD si perderà aderenza e l'auto finirà in testacoda.
• Superfici all’aperto, non asfaltate, morbide o in pendenza: A cingoli. Le configurazioni su ruote non garantiscono prestazioni affidabili.
• Misto interno/esterno: 4WS (con pneumatici) o cingolato, a seconda della tolleranza della finitura del pavimento interno.

Domanda 2: Qual è il carico utile massimo?

• < 500 kg: Il differenziale a trazione anteriore è sufficiente e rappresenta la soluzione più conveniente.
• 500–1.000 kg: Minipala a trazione integrale (4WD) o 4WS. La trazione a due ruote motrici (2WD) ha raggiunto il limite.
• 1.000–2.000 kg: Il sistema 4WS è la scelta standard. La trazione integrale (4WD) è possibile con un motore di dimensioni adeguate.
• > 2.000 kg: Il sistema 4WS è l'unica architettura su ruote realmente praticabile. Quella cingolata è un'opzione da considerare solo se la superficie lo richiede.

Domanda 3: Di quale precisione di posizionamento avete bisogno?

• ±10 mm o più largo: Il differenziale 2WD è adeguato. (Tipico per il prelievo "merci all'uomo" e il trasporto da zona a zona.)
• ±5–10 mm: 4WD o 4WS. (Tipico per l'interfaccia con il nastro trasportatore, prelievo dei pallet.)
• ±2–5 mm: L'architettura 4WS è l'unica in grado di garantire questo risultato in modo affidabile. (Tipica per l'aggancio in linea di produzione, l'assemblaggio di precisione e la movimentazione di semiconduttori.)

Domanda 4: Quanto è limitato il tuo spazio?

• Corridoi ampi (>3 m), percorsi semplici: Differenziale a trazione anteriore. È sufficiente la rotazione in sede tramite lo sterzo differenziale.
• Corridoi stretti (2–3 m): 4WD o 4WS. Il sistema 4WS con modalità “crab” offre la massima flessibilità.
• Corridoi molto stretti (<2 m), manovre complesse: 4WS. Il movimento a granchio è l'unico modo per attraccare lateralmente in uno spazio ristretto.
• All'aperto, terreno aperto: A trazione integrale o 4x4. I limiti di spazio sono meno rilevanti; la capacità fuoristrada è l'aspetto predominante.

Domanda 5: Qual è la vostra dotazione di bilancio?

• Ridurre al minimo il costo unitario, implementando su larga scala: Differenziale a trazione anteriore.
• Un sovrapprezzo moderato per maggiori prestazioni: Minipala a trazione integrale.
• Orientato alle prestazioni, con il costo unitario in secondo piano: 4WS.
• Prestazioni su qualsiasi tipo di pavimento interno: Monitorato.

Matrice decisionale

Norme di sicurezza e implicazioni per la progettazione dei sistemi di azionamento AMR

Il sistema di azionamento è direttamente coinvolto nella sicurezza funzionale. Le norme di sicurezza non specificano quale architettura di azionamento utilizzare. Tuttavia, è proprio l’architettura a determinare le modalità di implementazione delle funzioni di sicurezza — e il relativo costo.

ISO 3691-4: Carrelli industriali senza conducente

ISO 3691-4:2023 regola la sicurezza dei carrelli industriali senza conducente (veicoli a guida automatica e robot mobili autonomi in ambienti industriali). Requisiti chiave che influiscono sulla progettazione del sistema di azionamento:

1. Spegnimento di sicurezza in base alla coppia (STO)

Ogni motore di azionamento deve supportare la funzione STO, ovvero la capacità di disattivare la coppia in uscita mantenendo il collegamento meccanico a livello elettrico. Ciò viene in genere implementato tramite il driver del motore (ingressi STO sul servoazionamento). In un robot a trazione anteriore (2WD), sono necessari due canali STO. In un robot a quattro ruote motrici (4WS), ne occorrono otto (quattro per la trazione + quattro per lo sterzo).

2. Prestazioni di frenata

Il robot deve arrestarsi entro una distanza specificata, a carico massimo e alla velocità massima. Il sistema frenante (freni di stazionamento elettromagnetici sui motori, oltre a eventuali freni meccanici) deve essere dimensionato per il caso peggiore. Un robot a 4 ruote motrici che sposta 2.000 kg a 2,0 m/s necessita di una coppia frenante notevolmente superiore rispetto a un robot a 2 ruote motrici che sposta 250 kg a 1,5 m/s.

3. Stabilità

Il robot non deve ribaltarsi in determinate condizioni di pendenza, velocità e carico. Il baricentro del sistema di trasmissione, la larghezza dell’interasse e la geometria delle sospensioni sono tutti fattori che incidono sul calcolo della stabilità. I robot cingolati presentano un vantaggio intrinseco in termini di stabilità grazie alla loro ampia superficie di appoggio e al baricentro basso.

4. Monitoraggio della velocità

Il controllore di sicurezza deve monitorare in modo indipendente la velocità del robot e attivare un arresto di sicurezza qualora questa superi il limite configurato. Ciò richiede sensori di velocità ridondanti — in genere gli encoder dei motori più un sensore indipendente (radar, secondo encoder o sistema di misurazione esterno).

ANSI/RIA R15.08: Sicurezza dei robot mobili industriali

ANSI/RIA R15.08 è lo standard statunitense in materia di sicurezza dei robot mobili industriali. Esso classifica i robot in Tipo A (robot mobili autonomi senza manipolatore), Tipo B (AMR con manipolatore) e Tipo C (manipolatori mobili che eseguono attività in più postazioni). Implicazioni per il sistema di azionamento:

1. Domande di tipo A (AMR destinati esclusivamente al trasporto)

Qualsiasi architettura di trazione può soddisfare tali requisiti. La responsabilità in materia di sicurezza ricade principalmente sui sistemi di navigazione e di rilevamento degli ostacoli.

2. Domande di tipo B/C (AMR con nastri trasportatori e bracci robotici)

La precisione di aggancio diventa una questione di sicurezza: se il robot non si aggancia con precisione, il manipolatore o l’interfaccia del trasportatore potrebbero non funzionare correttamente, creando un pericolo. Ciò spinge verso l’adozione del sistema 4WS quando la tolleranza di aggancio è ridotta.

Costo della sicurezza funzionale in base all'architettura

Il numero di motori determina direttamente il numero di canali STO, di assi con monitoraggio della velocità di sicurezza e di interfacce encoder certificate per la sicurezza. In linea di massima:

• 2WD: 2 canali STO, 2 assi a velocità di sicurezza. Costo della distinta base di sicurezza più basso.
• 4WD: 4 canali STO, 4 assi a velocità di sicurezza. Costo moderato dei componenti di sicurezza.
• 4WS: 8 canali STO (4 di trazione + 4 di sterzo), 8 assi a velocità di sicurezza. Costo della distinta base (BOM) di sicurezza più elevato. Gli encoder assoluti con certificazione di sicurezza sugli assi di sterzo comportano un costo aggiuntivo di $200–$500 per ruota.
• Monitorato: 2 canali STO, 2 assi a velocità di sicurezza. Simile alla trazione 2WD, ma il sistema di frenatura meccanica potrebbe dover essere più potente a causa della spinta del robot su qualsiasi tipo di terreno.

Questi costi non sono trascurabili. Per un robot a 4WS, il solo hardware di sicurezza funzionale — azionamenti certificati per la sicurezza, PLC di sicurezza, encoder di sicurezza, sensori di sicurezza — può superare il costo della distinta base (BOM) di un sistema di azionamento completo a 2WD. Abbiamo visto integratori specificare la trazione 4WS per applicazioni che un robot a 2WD potrebbe gestire con poche modifiche al pavimento e un corridoio più ampio. Questa non è ingegneria: è spendere denaro che non era necessario spendere. Quando l’applicazione richiede effettivamente le prestazioni del sistema a 4WS, la distinta base di sicurezza è una voce di spesa necessaria. Quando invece non è così, è un argomento a favore della semplicità.

Conclusione: adattare il sistema di azionamento del robot mobile alle proprie esigenze operative

Dopo oltre 3.000 parole dedicate al confronto tra quattro architetture di azionamento sulla base di una dozzina di criteri, la conclusione non è che un sistema sia migliore degli altri. La conclusione è che la scelta del sistema di azionamento consiste nel trovare la giusta corrispondenza tra le proprie esigenze operative e i punti di forza e di debolezza di ciascuna architettura.

La maggior parte dei progetti di automazione dei magazzini dovrebbe partire dalla valutazione di un sistema di azionamento differenziale a trazione anteriore (2WD). Si tratta dell’opzione più semplice, economica ed efficiente dal punto di vista energetico, adatta alla maggior parte delle applicazioni logistiche in ambienti interni. È opportuno passare a soluzioni più complesse solo quando un requisito operativo specifico lo richieda.

La trazione integrale (4WD) rappresenta il primo passo logico: maggiore carico utile, maggiore trazione e un costo leggermente superiore. La trazione a quattro ruote sterzanti (4WS) è leader in termini di precisione e carico utile, e il suo costo aggiuntivo è giustificato quando l’attracco con tolleranza di ±2 mm o il movimento omnidirezionale in spazi ristretti costituiscono un requisito imprescindibile. La trazione a cingoli è la specialista degli ambienti esterni — indispensabile sui terreni accidentati, ma inadatta ai pavimenti interni rifiniti.

L’errore più costoso non è scegliere l’architettura sbagliata, bensì optare per un’architettura con specifiche eccessive per un’applicazione che non ne aveva bisogno. Una flotta di 20 AMR con sistemi di azionamento 4WS in un magazzino con corridoi ampi, pavimenti lisci e una tolleranza di attracco di ±10 mm: si tratta di $300,000–$500.000 che avrebbero dovuto essere investiti in un secondo turno di robot a trazione 2WD, in effettori terminali migliori o in un ampliamento del soppalco. Adattate il sistema di trazione alle esigenze, non alla scheda tecnica.

Sei pronto a scegliere un sistema di azionamento per la tua applicazione con robot mobile?

Contatta il team tecnico di Fdata per discutere delle vostre esigenze in termini di carico utile, altezza minima, precisione e budget. Realizziamo soluzioni su misura telaio per robot mobile con configurazioni a trazione anteriore (2WD), trazione integrale (4WD), sterzo sulle quattro ruote (4WS) e cingolato per applicazioni industriali B2B in tutto il mondo.

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