Porównanie układów napędowych robotów mobilnych: napęd na 2 koła (2WD), napęd na 4 koła (4WD), napęd na 4 koła z niezależnym sterowaniem (4WS) oraz roboty gąsienicowe

Układ napędowy robota mobilnego decyduje o tym, gdzie może on działać, co może przewozić i z jaką precyzją może się pozycjonować — ma on wpływ na 10–25% całkowitego kosztu listy materiałów (BOM) robota AMR oraz na 25–40% zużycia energii.

W niniejszym przewodniku porównano cztery dominujące architektury napędu pojazdów AMR — napęd różnicowy 2WD, napęd 4WD typu „skid-steer”, napęd 4WS z czterema kołami skrętnymi oraz napęd gąsienicowy — pod kątem ładowności, dokładności pozycjonowania, kompatybilności z podłogą, efektywności energetycznej oraz całkowitego kosztu posiadania, dzięki czemu zespoły inżynierów i zaopatrzeniowców mogą dobrać podwozie do wymagań operacyjnych w oparciu o dane, a nie o deklaracje marketingowe.

Porównanie układów napędowych robotów mobilnych: napęd na 2 koła (2WD), napęd na 4 koła (4WD), napęd na 4 koła z niezależnym sterowaniem (4WS) oraz roboty gąsienicowe

W skrócie

1. Napęd na dwa koła z mechanizmem różnicowym

Napęd różnicowy 2WD to najprostsza i najtańsza opcja. Sprawdza się dobrze na gładkich, płaskich podłogach przy przenoszeniu ładunków o małej lub średniej masie. Jeśli w Twoim obiekcie znajdują się równe podłogi epoksydowe lub betonowe, a transportujesz pojemniki lub małe palety, zacznij właśnie od tego rozwiązania.

2. Miniładowarka z napędem na cztery koła

Miniładowarka z napędem na cztery koła (4WD) zapewnia lepszą przyczepność i lepszy rozkład obciążenia. Radzi sobie z większymi ładunkami i nieco bardziej nierównymi nawierzchniami niż model z napędem na dwa koła (2WD), ale kosztem nieco mniejszej płynności ruchu, która chroni podłogę.

3. 4WS (układ kierowniczy na wszystkie koła)

System 4WS (czterokołowe sterowanie) zapewnia manewrowość we wszystkich kierunkach oraz najwyższą precyzję pozycjonowania. Jest to właściwy wybór, gdy wymagana jest dokładność dokowania na poziomie ±2 mm, praca w wąskich korytarzach lub transport ładunków o masie powyżej 1 000 kg.

4. Napęd gąsienicowy

Napęd gąsienicowy to specjalista od pracy na zewnątrz i w trudnym terenie. Pokonuje przeszkody, których roboty kołowe nie są w stanie pokonać, pokonuje bardziej strome wzniesienia i przewozi proporcjonalnie cięższe ładunki — kosztem prędkości, efektywności energetycznej oraz zużycia podłogi w pomieszczeniach.

Nie ma jednego “najlepszego” systemu napędowego. Wybór odpowiedniego rozwiązania zależy od rodzaju podłoża, wymagań dotyczących ładowności, ograniczeń przestrzennych, wymagań dotyczących precyzji oraz budżetu.

W niniejszym przewodniku szczegółowo omówiono każdy system, dzięki czemu będziesz mógł podjąć decyzję w oparciu o konkretne dane techniczne, a nie ogólniki marketingowe.

Dlaczego wybór systemu napędowego AMR ma decydujący wpływ na wszystkie kolejne etapy procesu

Układ napędowy nie jest tylko jednym z wielu elementów. Jest to decyzja projektowa, która określa, w jaki sposób robot się porusza, gdzie może działać, co może przewozić, z jaką precyzją ustala swoje położenie, ile energii zużywa oraz ile kosztuje jego zakup i utrzymanie.

Zmiana układu napędowego pociąga za sobą zmiany we wszystkich kolejnych etapach: doborze silnika, pojemności akumulatora, architekturze sterowania, konfiguracji systemu bezpieczeństwa, wymaganiach dotyczących przygotowania podłogi oraz całkowitym koszcie eksploatacji w ciągu 5–7-letniego cyklu życia floty.

Jednak w wielu procesach zakupowych układ napędowy traktowany jest raczej jako pozycja do odhaczenia w arkuszu specyfikacji, a nie jako decyzja strategiczna. Niniejszy artykuł skierowany jest do inżynierów i kierowników operacyjnych, którzy muszą podjąć tę decyzję w oparciu o rzeczywiste dane, a nie marketingowe obietnice.

O czym jest ten artykuł:

• Cztery dominujące obecnie architektury napędowe w przemysłowych robotach mobilnych to: napęd na dwa koła z mechanizmem różnicowym, napęd na cztery koła z układem skrętu poślizgowego, niezależne sterowanie wszystkimi kołami oraz napęd gąsienicowy
• Jak działa każdy z tych systemów pod względem mechanicznym i elektrycznym
• Dane dotyczące wydajności w zakresie ładowności, prędkości, precyzji, zgodności z podłogą oraz zużycia energii
• Model decyzyjny, który pozwala dopasować wymagania operacyjne do odpowiedniego systemu napędowego
• Odpowiednie normy bezpieczeństwa (ISO 3691-4, ANSI/RIA R15.08) oraz wpływ wyboru układu napędowego na architekturę bezpieczeństwa

Czego nie porusza ten artykuł:

• Systemy Mecanum i omni-wheel (są to specjalistyczne konfiguracje przeznaczone do konkretnych zastosowań; poświęcono im osobny artykuł)
• Poruszanie się na nogach lub w trybie hybrydowym (poza zakresem przemysłowych platform kołowych/gąsienicowych)
• Robotyka konsumencka lub hobbystyczna

Tabela porównawcza układów napędowych robotów mobilnych

Napęd z mechanizmem różnicowym 2WD AMR

Jak to działa

Robot z napędem różnicowym wykorzystuje dwa niezależnie napędzane koła zamontowane na wspólnej osi, zazwyczaj w środkowej części podwozia. Równowagę zapewnia jedno lub więcej biernych kółek skrętnych — dwa kółka skrętne w układzie czterokołowym lub cztery kółka skrętne w układzie sześciokołowym w przypadku cięższych ładunków.

Sterowanie odbywa się wyłącznie poprzez różnicę prędkości między lewym a prawym kołem napędowym. Jeśli oba koła będą poruszały się do przodu z tą samą prędkością, robot będzie jechał prosto. Jeśli lewe koło będzie poruszało się szybciej niż prawe, robot skręci w prawo. Jeśli koła będą poruszały się z równymi, ale przeciwnymi prędkościami, robot obróci się w miejscu wokół swojego środka ciężkości.

Nie ma silnika kierowniczego, nie ma układu drążków kierowniczych, nie ma sworznia zwrotnicy ani serwosterowanego kąta skrętu. Całą pracę wykonują silniki napędowe, a układ sterowania jest odpowiednio prosty: predykcyjny regulator PID, który reguluje prędkość każdego koła na podstawie sygnału zwrotnego z enkodera.

Ta prostota stanowi największą zaletę tej architektury. Jest ona również źródłem wszystkich wynikających z niej ograniczeń.

Główne elementy

1. Dwa silniki napędowe

Zazwyczaj są to silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC) z wbudowanymi przekładniami planetarnymi lub harmonicznymi. Typowy zakres mocy: 200–750 W na silnik w przypadku pojazdów AMR przeznaczonych do zastosowań magazynowych.

2. Enkodery inkrementalne

Jeden na każdy silnik napędowy, zazwyczaj 1 024–4 096 PPR (impulsów na obrót). Zapewniają one sygnał zwrotny dotyczący prędkości i położenia dla pętli sterowania. W układach napędowych z napędem różnicowym brakuje absolutnych enkoderów skrętu, ponieważ nie ma osi skrętu, którą można by zmierzyć.

3. Rzucający pasywni

Kółka z bieżnikiem poliuretanowym, zazwyczaj o średnicy 75–150 mm, z obrotowymi głowicami wyposażonymi w podwójne łożyska. Są to elementy zużywające się, które w warunkach pracy 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu wymienia się co roku.

4. Sterowniki silników

Napędy połączone w sieć CANopen lub EtherCAT, często wyposażone w zintegrowaną funkcję STO (Safe Torque Off) zapewniającą zgodność z wymogami bezpieczeństwa funkcjonalnego.

5. Zawieszenie (opcjonalne)

Sprężynowe mocowania kółek lub centralny przegub obrotowy zapewniające kontakt z podłożem na lekko nierównych podłogach. Wiele podstawowych robotów z napędem różnicowym nie posiada zawieszenia i jest uzależnionych od równości podłogi.

Charakterystyka eksploatacyjna

1. Ładunek

W standardowych konfiguracjach przemysłowych roboty z napędem na dwa koła (2WD) obsługują ładunki o masie do 300–500 kg. Czynnikiem ograniczającym nie jest moment obrotowy silnika — zawsze można zastosować silniki o większej mocy. Prawdziwym ograniczeniem jest nośność kółek i nacisk na podłogę. Każde kółko nośne przenosi mniej więcej połowę ładunku oraz ułamek masy samego robota. W przypadku konfiguracji z czterema kółkami nośnymi z poliuretanu o średnicy 75 mm i nośności 150 kg każde praktyczny pułap ładowności wynosi około 500 kg. Widzieliśmy już, jak integratorzy zwiększali tę wartość do 600 kg przy użyciu kółek o średnicy 100 mm, ale w tym momencie obciążenie podłogi zaczyna powodować problemy związane z konserwacją.

Przy obciążeniu powyżej 500 kg kółka zaczynają się szybko zużywać, pojawiają się problemy z oznakowaniem podłogi, a droga hamowania robota pod obciążeniem przekracza wartości dopuszczalne przez normy bezpieczeństwa – o ile nie zastosuje się większych i droższych kółek oraz silników. W takiej sytuacji napęd na cztery koła (4WD) lub układ kierowniczy na cztery koła (4WS) stają się bardziej ekonomicznym rozwiązaniem.

2. Prędkość

Typowy zakres prędkości roboczych dla robotów AMR z napędem różnicowym przeznaczonych do zastosowań magazynowych wynosi 1,5–2,0 m/s (5,4–7,2 km/h). Jest to prędkość wystarczająca do wykonania większości zadań intralogistycznych — robot poruszający się z prędkością 1,8 m/s pokonuje 100-metrowy korytarz magazynowy w mniej niż minutę. Możliwe są większe prędkości, ale wiążą się one z dodatkowymi wymaganiami dotyczącymi zasięgu czujników bezpieczeństwa zgodnie z normą ISO 3691-4.

3. Dokładność pozycjonowania

 Producenci podają wartość ±10 mm dla robotów z napędem różnicowym w rzeczywistych warunkach. Liczba ta zakłada dobrze utrzymaną podłogę, pełne opony oraz regularną kalibrację enkodera. Wystarczy jednak pojawienie się kurzu, wilgoci lub nierówności, a dokładność szybko spada — poślizg kół powoduje błędy odometryczne, których sam enkoder nie jest w stanie wykryć.

Jest to podstawowe ograniczenie precyzji napędu różnicowego. System wyważa kąt skrętu i położenie pośrednio na podstawie prędkości koła. Gdy koło wpadnie w poślizg, enkoder sygnalizuje ruch, który w rzeczywistości nie miał miejsca. Układ sterowania nie ma żadnego niezależnego sposobu, by stwierdzić, że otrzymał fałszywe dane. Systemy IMU i lokalizacja oparta na algorytmie SLAM kompensują to na poziomie nawigacji — jednak precyzja nawigacji zliczeniowej na poziomie jazdy pozostaje ograniczona, niezależnie od tego, jak dobry jest stos nawigacyjny.

4. Wymagania dotyczące podłogi

Gładka, płaska, równa i czysta. Roboty z napędem różnicowym wymagają stałego kontaktu obu kół napędowych z podłożem. Wgłębienie, wypukłość lub zanieczyszczenie, które unosi jedno koło napędowe nawet o kilka milimetrów, powoduje zboczenie robota z kursu, ponieważ uniesione koło obraca się swobodnie, podczas gdy koło stykające się z podłożem napędza robota po łuku. Idealnym rozwiązaniem są posadzki betonowe pokryte powłoką epoksydową, znajdujące się w dobrym stanie. Polerowany beton o współczynniku tarcia poniżej 0,5 może powodować poślizg. Płaskość posadzki powinna spełniać lub przewyższać wymagania FF35/FL25 zgodnie ze specyfikacjami ACI 117.

5. Efektywność energetyczna

Napęd różnicowy jest najbardziej energooszczędną konfiguracją pojazdów kołowych. Dzięki zaledwie dwóm silnikom napędowym i braku siłowników kierowniczych pobierających energię straty pasożytnicze są najniższe spośród wszystkich architektur napędowych. Typowy robot AMR o napędzie różnicowym, o ładowności 200 kg, zużywa 400–800 W podczas jazdy w stanie ustalonym po płaskiej podłodze, co przekłada się na 6–8 godzin pracy przy zasilaniu z akumulatora LiFePO4 o napięciu 48 V i pojemności 60 Ah.

6. Koszt

System napędowy — dwa zespoły składające się z silnika, przekładni, enkodera i sterownika, dwa koła napędowe oraz zestaw kółek — kosztuje $2,000–$5,000 na poziomie listy materiałów (BOM) dla komponentów klasy przemysłowej. To jest punkt odniesienia. Każda inna konfiguracja jest porównywana z tą wartością.

Kiedy wybrać napęd na dwa koła (2WD) z mechanizmem różnicowym

Należy wybrać napęd różnicowy, gdy:

• Wasze ładunki ważą poniżej 500 kg
• Wasze podłogi są gładkie, równe i w dobrym stanie
• Twoje trasy są stosunkowo proste (z punktu do punktu, bez skomplikowanych manewrów)
• Wdrażasz rozwiązanie na dużą skalę, a koszt jednostkowy ma znaczenie
• Twoja tolerancja dokowania wynosi ±10 mm lub jest większa
• Chcesz, aby profil konserwacji był jak najprostszy

Nie należy wybierać napędu różnicowego, gdy:

• Na podłogach występują różnice nachylenia, dylatacje lub nierówności
• Musisz umieć poruszać się w bok (jak krab)
• Potrzebna jest dokładność dokowania mniejsza niż ±5 mm
• Twoja ładowność przekracza 500 kg
• Pracujecie w wilgotnych, zapylonych lub narażonych na obecność zanieczyszczeń środowiskach, w których istnieje ryzyko poślizgu kół

Napęd mobilnego robota z układem kierowniczym typu skid-steer i napędem na cztery koła

Jak to działa

Robot z napędem na cztery koła i układem skrętu niezależnego wykorzystuje cztery koła napędzane, rozmieszczone w dwóch parach – po jednej z każdej strony. Wszystkie koła po każdej stronie są połączone mechanicznie lub zsynchronizowane elektronicznie, dzięki czemu obracają się z tą samą prędkością. Sterowanie odbywa się poprzez różnicę prędkości między lewą a prawą stroną — na tej samej zasadzie, co w przypadku mechanizmu różnicowego w pojazdach z napędem na dwa koła (2WD), ale z czterema kołami napędzanymi zamiast dwóch.

Główną zaletą w porównaniu z napędem na dwa koła (2WD) jest przyczepność. Dzięki czterem powierzchniom styku zamiast dwóch robot może przenosić na podłogę większy moment obrotowy silnika, zanim dojdzie do poślizgu kół. Przekłada się to bezpośrednio na większą nośność, lepszą zdolność pokonywania wzniesień oraz bardziej niezawodne poruszanie się po podłogach o umiarkowanym stopniu zanieczyszczenia (kurz, niewielka wilgoć).

Wadą tego rozwiązania jest poślizg. Kiedy robot z napędem na cztery koła skręca, zewnętrzne koła ślizgają się poprzecznie po podłodze, ponieważ ich orientacja jest zablokowana. W przypadku kół poliuretanowych na podłożu epoksydowym słychać charakterystyczny pisk — i widać przyspieszone zużycie opon, zwłaszcza na przednich i tylnych kołach, które podczas skręcania pokonują największą odległość w kierunku poprzecznym. Jeśli kiedykolwiek obserwowałeś pracę ładowarki o sterowaniu poślizgowym na betonie, wiesz dokładnie, jak to brzmi.

Główne elementy

1. Cztery silniki napędowe

Jeden na koło, zazwyczaj o mocy 200–750 W każdy w przypadku robotów klasy magazynowej. Standardem pozostają silniki BLDC z przekładniami planetarnymi. W niektórych konstrukcjach stosuje się dwa większe silniki do napędzania każdej strony za pomocą połączenia mechanicznego (paska lub łańcucha), co zmniejsza liczbę silników, ale zwiększa złożoność mechaniczną.

2. Synchronizacja silników

Nowoczesnym rozwiązaniem jest synchronizacja elektroniczna za pośrednictwem protokołów CANopen lub EtherCAT. W starszych lub tańszych konstrukcjach stosuje się sprzężenie mechaniczne (po jednym silniku z każdej strony z wałem napędowym i mechanizmem różnicowym), co jednak uniemożliwia niezależne sterowanie kołami.

3. Zawieszenie

Ma to większe znaczenie w robotach z napędem na cztery koła (4WD) niż w tych z napędem na dwa koła (2WD). Jeśli jedno koło straci kontakt z podłożem na nierównej powierzchni, robot traci przyczepność po tej stronie proporcjonalnie do utraty kontaktu. W robotach z napędem na cztery koła z wyższej półki powszechnie stosuje się zawieszenie typu „rocker-bogie” lub niezależne zawieszenie z wahaczami. Napięcie wstępne sprężyn musi być starannie dostrojone — zbyt miękkie powoduje kołysanie się robota pod obciążeniem; zbyt sztywne sprawia, że zawieszenie nie pracuje płynnie.

4. Opony

Mają większą średnicę niż ich odpowiedniki z napędem 2WD (zazwyczaj 200–400 mm w porównaniu z 125–250 mm), co pozwala uwzględnić skok zawieszenia i rozłożyć większe obciążenia. Standardem pozostaje poliuretan; opony pneumatyczne stosuje się w robotach z napędem 4WD przystosowanych do pracy w terenie.

Charakterystyka eksploatacyjna

1. Ładunek

Roboty z napędem na cztery koła (4WD) typu skid-steer rutynowo przenoszą ładunki o masie 200–2 000 kg. Dolny przedział (200–500 kg) obejmuje kompaktowe roboty magazynowe, natomiast górny przedział (1 000–2 000 kg) – autonomiczne roboty mobilne (AMR) do transportu palet oraz autonomiczne wózki widłowe. Dzięki czterem punktom styku rozkładającym obciążenie nacisk na podłogę przypadający na jedno koło jest mniejszy niż w przypadku robota z napędem na dwa koła (2WD) przewożącego ten sam ładunek, co zmniejsza zużycie podłogi i ogranicza awarie związane z kółkami skrętnymi.

2. Prędkość

1,5–2,5 m/s. W praktyce jest szybszy niż pojazd z napędem na dwa koła (2WD), ponieważ dodatkowa przyczepność pozwala na większe przyspieszenie i hamowanie bez poślizgu kół. Prędkość maksymalna jest zazwyczaj ograniczona zasięgiem czujnika bezpieczeństwa, a nie możliwościami silnika.

3. Dokładność pozycjonowania

±5–10 mm. Rozwiązanie to jest lepsze niż w przypadku napędu na dwa koła (2WD), ponieważ mniejszy poślizg kół sprawia, że pomiar odometrii oparty na enkoderach jest bardziej wiarygodny. Jednak mechanizm skrętu typu „skid-steer” stanowi dodatkowe źródło błędu — podczas skrętu boczne tarcie opon jest nieprzewidywalne i zależy od stanu podłoża, zużycia opon oraz rozkładu obciążenia.

4. Wymagania dotyczące podłogi

Powierzchnia musi być bardziej płaska i wytrzymała niż w przypadku pojazdów z napędem na dwa koła (2WD). Podczas każdego skrętu ładowarka o sterowaniu burtowym wywiera siły boczne na powierzchnię podłogi. Powłoki epoksydowe muszą być odpowiednio przyklejone i mieć wystarczającą grubość, aby zapobiegać rozwarstwianiu się. Posadzki betonowe powinny być uszczelnione, aby zapobiegać powstawaniu pyłu w wyniku ścierania opon. Na powierzchni posadzki w ciągu kilku tygodni od uruchomienia pojawią się widoczne ślady zużycia wzdłuż tras przejazdu robota — jest to normalne zjawisko i należy uwzględnić je w budżecie przeznaczonym na konserwację obiektu.

5. Efektywność energetyczna

Niższe niż w przypadku napędu 2WD ze względu na cztery silniki oraz straty energii wynikające z tarcia opon podczas skręcania. Należy spodziewać się o 15–251 TP3T wyższego zużycia energii na metr przejechanej drogi w porównaniu z robotem z napędem 2WD o podobnej masie. W typowym zastosowaniu AMR w magazynie robot z napędem 4WD zużywa 600–1000 W podczas jazdy w stanie ustalonym.

6. Koszt

Układ napędowy kosztuje 1,5–2 razy więcej niż jego odpowiednik z napędem na dwa koła. Cztery zespoły silnik+przekładnia+enkoder, cztery sterowniki, cztery koła oraz układ zawieszenia składają się na całkowity koszt. Największym czynnikiem podnoszącym koszt jest właśnie zawieszenie — odpowiednie niezależne zawieszenie z obrabianymi mechanicznie wahaczami oraz zespołami sprężynowo-amortyzatorowymi może kosztować tyle samo, co silniki, które podtrzymuje.

Kiedy warto wybrać miniładowarkę z napędem na cztery koła

Wybierz miniładowarkę z napędem na cztery koła (4WD), gdy:

• Ładunki wynoszą od 500 do 2 000 kg
• Wasze podłogi są na ogół równe, ale mogą mieć drobne niedoskonałości
• Do przyspieszania, hamowania czy pokonywania łagodnych wzniesień potrzebna jest lepsza przyczepność niż w przypadku napędu 2WD
• Twój budżet pozwala na 1,5–2-krotny wzrost kosztów w porównaniu z wersją z napędem na dwa koła
• Należy liczyć się z pewnym zużyciem powierzchni podłogi spowodowanym przez miniładowarkę

4WS – pojazdy AGV/AMR z układem kierowniczym na wszystkie koła

Jak to działa

Robot typu 4WS wykorzystuje cztery niezależnie sterowane koła napędowe — po jednym w każdym rogu podwozia. Każdy zespół koła (czasami nazywany “napędem skrętnym” lub “napędem kierowniczym”) zawiera dwa silniki: silnik trakcyjny, który napędza koło do przodu i do tyłu, oraz silnik skrętny, który obraca cały zespół koła wokół osi pionowej.

Taka konstrukcja, w której każde koło jest wyposażone w dwa silniki, zapewnia układowi sterowania niezależną kontrolę zarówno nad prędkością, jak i kątem skrętu każdego koła. Efektem jest prawdziwa mobilność we wszystkich kierunkach: robot może poruszać się do przodu, do tyłu, w bok (tryb kraba), po przekątnej lub obracać się w miejscu, a także przełączać się między tymi trybami bez zatrzymywania się.

Precyzja wynika z zastosowania enkodera absolutnego na każdej osi układu kierowniczego. W przeciwieństwie do napędu różnicowego, który wylicza kąt skrętu na podstawie prędkości koła (pomiar pośredni podatny na poślizg), układ 4WS mierzy rzeczywisty kąt skrętu bezpośrednio na każdym kole. Typowy enkoder układu kierowniczego ma rozdzielczość ±0,1°, co przekłada się na kontrolę poprzeczną z dokładnością poniżej milimetra na poziomie podwozia.

Główne elementy (na jedno koło)

1. Silnik trakcyjny

Silnik BLDC z przekładnią planetarną, o mocy od 200 W do 2 kW w zależności od klasy obciążenia. Zazwyczaj zasilany napięciem 24–48 V DC, wyposażony w zintegrowany hamulec utrzymujący.

2. Silnik układu kierowniczego

Mniejszy od silnika trakcyjnego (100–500 W), wyposażony w przekładnię ślimakową o wysokim przełożeniu lub przekładnię harmoniczną, która pozwala utrzymać kąt skrętu pomimo oddziaływania sił drogowych. Przekładnia musi charakteryzować się wystarczającą zdolnością do ruchu wstecznego, aby enkoder układu kierowniczego mógł wykrywać zakłócenia zewnętrzne, ale jednocześnie musi być wystarczająco sztywna, aby utrzymać pozycję pod obciążeniem.

3. Enkoder absolutny (oś kierownicza)

Jest to element, który decyduje o przewadze tej architektury pod względem precyzji. Zazwyczaj jest to wieloobrotowy enkoder absolutny o rozdzielczości 17–19 bitów, zapewniający dokładny pomiar kąta nawet po wyłączeniu i ponownym włączeniu zasilania. Przy uruchomieniu nie jest wymagana procedura ustalania pozycji początkowej.

4. Enkoder inkrementalny (oś napędowa)

Standardowy enkoder kwadraturowy, 1 024–4 096 PPR.

5. Łożysko układu kierowniczego

Pierścień obrotowy o dużej średnicy lub łożysko z krzyżowymi rolkami, które przenosi całe obciążenie pionowe tego narożnika robota wraz z ładunkiem, zapewniając jednocześnie płynny obrót. Jest to kosztowny element o wysokiej precyzji.

6. Sterownik/kontroler

Dwuosiowy serwonapęd, który jednocześnie reguluje zarówno kąt skrętu, jak i prędkość jazdy. Protokół EtherCAT z funkcją FSoE (FailSafe over EtherCAT) zapewniającą integrację bezpieczeństwa funkcjonalnego.

Charakterystyka eksploatacyjna

1. Ładunek

4WS to architektura przeznaczona do dużych obciążeń. Jednoosiowe napędy kierujące takich producentów jak SEW-Eurodrive i CFA oferują nośność od 500 kg do ponad 6 500 kg na zespół koła. Czterokołowy robot z układem 4WS, wyposażony w napędy kierujące o odpowiednich parametrach, może obsługiwać ładunki, których transport byłby niemożliwy w przypadku jakiejkolwiek innej konfiguracji.

Właśnie dlatego architektura 4WS jest dominującym rozwiązaniem w przypadku autonomicznych wózków widłowych, ciężkich transporterów paletowych oraz zewnętrznych platform logistycznych. Gdy trzeba przetransportować 2 000 kg materiału i dokować go z powtarzalnością ±2 mm na linii produkcyjnej, architektura 4WS jest jedyną architekturą kołową, która może jednocześnie spełnić oba te wymagania.

2. Prędkość

1,0–2,0 m/s. Prędkość maksymalna jest zazwyczaj ograniczona względami bezpieczeństwa oraz zdolnością układu kierowniczego do utrzymania kontroli kąta skrętu przy obciążeniach dynamicznych, a nie mocą silnika. Przy wyższych prędkościach silniki kierownicze muszą pracować z większym wysiłkiem, aby utrzymać kąt skrętu koła pomimo sił działających podczas pokonywania zakrętów, a czynnikiem ograniczającym staje się szerokość pasma pętli regulacyjnej.

3. Dokładność pozycjonowania

±2–5 mm w punkcie dokowania, przy powtarzalności sięgającej nawet ±2 mm w kontrolowanych warunkach. To właśnie stanowi kluczową zaletę tej architektury. Połączenie bezpośredniego pomiaru kąta skrętu (enkoderów absolutnych), niezależnego sterowania kołami oraz możliwości korygowania położenia za pomocą ruchu poprzecznego bez zmiany orientacji podwozia zapewnia precyzję, której nie są w stanie dorównać systemy z napędem różnicowym ani układy typu skid-steer.

Ma to największe znaczenie w takich zastosowaniach, jak obsługa płytek półprzewodnikowych, precyzyjne podawanie elementów na liniach montażowych oraz transport próbek szpitalnych, gdzie błąd pozycjonowania rzędu 10 mm może spowodować nieudane podniesienie przedmiotu lub kolizję.

4. Manewrowość: Wszechkierunkowy. Cztery standardowe tryby to:

• Tryb Ackermanna: Przednie koła są skrętne, a tylne stałe — tak jak w samochodzie. Sprawdzają się podczas długich, prostych przejazdów.
• Tryb kraba: Wszystkie cztery koła skręcają pod tym samym kątem. Robot porusza się po przekątnej lub w bok, zachowując orientację podwozia. Ma to kluczowe znaczenie podczas dokowania w wąskich korytarzach.
• Obrót o promieniu zerowym: Koła skręcają stycznie do okręgu, którego środek znajduje się w punkcie, w którym stoi robot. Robot obraca się w miejscu bez przemieszczania się wzdłuż osi — powoduje to mniejsze zużycie podłogi niż obrót z poślizgiem kół.
• Tryb niezależny: Każde koło jest ustawione pod innym kątem. Służy to do wykonywania specjalistycznych manewrów, takich jak obrót wokół jednego narożnika.

5. Wymagania dotyczące podłogi

Wymagania dotyczące równości podłoża są mniejsze niż w przypadku napędu różnicowego, ponieważ niezależne zawieszenie na każdym z kół zapewnia stały kontakt z podłożem nawet przy umiarkowanych różnicach w jego ukształtowaniu. Podłoże musi jednak zapewniać stały współczynnik tarcia — śliska plama pod jednym kołem podczas precyzyjnego manewru może spowodować utratę sterowności tego koła, a system lokalizacji robota wykryje ten błąd i zatrzyma się, co doprowadzi do niepowodzenia manewru.

6. Efektywność energetyczna

Najniższa z konfiguracji kołowych. Osiem silników (cztery trakcyjne + cztery sterujące) zużywa energię nawet wtedy, gdy robot stoi w miejscu, ponieważ silniki sterujące muszą utrzymywać pozycję w obliczu sił zewnętrznych. W praktyce roboty z napędem 4WS zużywają o 25–40% więcej energii na metr niż porównywalne roboty z napędem 2WD. Oznacza to konieczność stosowania większych akumulatorów, dłuższy czas ładowania lub skrócenie czasu pracy przy tej samej pojemności akumulatora.

7. Koszt

Układ napędowy jest 3–5 razy droższy od mechanizmu różnicowego w pojeździe z napędem na dwa koła. Proszę policzyć: cztery podwójne silniki napędowe z enkoderami absolutnymi, cztery dwuosiowe serwonapędy, cztery łożyska obrotowe oraz wiązki przewodów. Jeden przemysłowy moduł napędowy z układem kierowniczym — silnik, przekładnia, enkoder, łożysko, bez sterownika — kosztuje $1 500–$4 000 w zależności od klasy obciążenia. Pomnóż to przez cztery. Dodaj cztery dwuosiowe sterowniki po $1 000–$2 000 za sztukę. W ten sposób koszt samego układu napędowego wynosi $10 000–$24 000 na jednego robota — nie uwzględniając jeszcze podwozia, akumulatora, czujników ani układu sterowania. Taka jest cena precyzji.

Koszt ten ma sens, gdy wymagają tego wymagania dotyczące precyzji i ładowności. Nie ma sensu natomiast w sytuacji, gdy robot z napędem na dwa koła (2WD) spełniłby te same wymagania operacyjne przy kosztach układu napędowego wynoszących zaledwie jedną czwartą.

Kiedy warto wybrać układ 4WS (sterowanie na cztery koła)

Wybierz 4WS, gdy:

• Wymagana jest dokładność dokowania na poziomie ±5 mm lub lepsza
• W Państwa obiekcie znajdują się wąskie korytarze, które wymagają poruszania się w bok (w pozycji kraba)
• Ładunek przekracza 1 000 kg
• Robot musi zmieniać kierunek bez zmiany orientacji podwozia (z powodu zamontowanych przenośników i wrażliwych ładunków)
• Wasze podłoże jest na tyle nierówne, że mechanizm różnicowy w pojeździe z napędem na dwa koła straciłby przyczepność
• Twoja aplikacja wymaga, aby robot poruszał się w wielu kierunkach w ograniczonych przestrzeniach

Nie należy wybierać trybu 4WS, gdy:

• Układ napędu na 2 koła (2WD) lub na 4 koła (4WD) spełnia Twoje wymagania dotyczące precyzji i ładowności przy niższych kosztach
• Twój zespół nie jest przygotowany na złożoność czynności konserwacyjnych (cztery zespoły z dwoma silnikami, osiem enkoderów do kalibracji, większa liczba trybów awarii)
• Twój budżet energetyczny jest ograniczony (konfiguracja 4WS wiąże się z karą energetyczną wynoszącą 25–401 TP3T w porównaniu z napędem 2WD)

Roboty mobilne gąsienicowe

Jak to działa

W układzie napędu gąsienicowego koła zastąpiono ciągłymi gąsienicami — wzmocnionymi gumowymi lub stalowymi pasami, które biegną wokół zestawu kół napędowych, kół napinających i rolek podporowych po obu stronach robota. Każda gąsienica jest napędzana niezależnie przez silnik za pośrednictwem koła napędowego, a sterowanie odbywa się metodą „skid-steer”: poprzez zmianę prędkości lewej gąsienicy względem prawej.

Charakterystyczną cechą mechaniczną jest duża powierzchnia styku. Podczas gdy robot kołowy rozkłada swój ciężar na cztery małe powierzchnie styku (ślady opon), robot gąsienicowy rozkłada ten sam ciężar na całą długość i szerokość obu gąsienic. Znacznie zmniejsza to nacisk na podłoże, dzięki czemu pojazdy gąsienicowe mogą poruszać się po miękkich nawierzchniach, w których pojazdy kołowe ugrzęzają — takich jak piasek, błoto, śnieg, luźny żwir i miękka ziemia.

Wadami tego rozwiązania są: złożoność konstrukcji, mniejsza prędkość, większe zużycie energii oraz ryzyko uszkodzenia podłóg w pomieszczeniach.

Główne elementy

1. Koła łańcuchowe napędowe

Stalowe lub aluminiowe, z zębami, które zazębiają się z występami napędowymi gąsienicy. Silnik napędza koło zębate bezpośrednio poprzez przekładnię planetarną. Większe koła zębate zmniejszają napięcie gąsienicy i jej zużycie, ale zwiększają całkowitą szerokość robota.

2. Koła napinające

Koła bez napędu z przodu i z tyłu, które utrzymują napięcie gąsienicy i prowadzą ją po torze. Zazwyczaj montowane są na mechanizmach napinających (regulatorach gwintowanych lub sprężynowych) w celu ustawienia prawidłowego napięcia gąsienicy.

3. Koła jezdne/rolki podporowe

Mniejsze koła umieszczone między kołami napinającymi, które podtrzymują ciężar robota wzdłuż dolnego odcinka gąsienicy. Ich liczba i rozstaw to kluczowe parametry konstrukcyjne — większa liczba kół jezdnych pozwala na bardziej równomierny rozkład nacisku na podłoże, ale zwiększa masę i opór toczenia.

4. Utwory

W robotach przemysłowych standardem jest guma wzmocniona wewnętrznymi splotami stalowymi lub kevlarowymi. W zastosowaniach o ekstremalnie wysokich obciążeniach (np. w budownictwie i górnictwie) stosuje się gąsienice stalowe z gumowymi nakładkami. Szerokość gąsienicy i wzór bieżnika dobiera się w zależności od terenu, na którym ma być używana.

5. Silniki

Wyższy moment obrotowy niż w przypadku porównywalnych robotów kołowych, ponieważ napęd gąsienicowy jest mniej wydajny pod względem mechanicznym. Robot gąsienicowy przewożący taki sam ładunek jak robot kołowy potrzebuje około 25–50% większego momentu obrotowego silnika, aby pokonać tarcie gąsienic.

6. Zawieszenie

Koła jezdne są zazwyczaj zamontowane na wózku lub zawieszeniu z drążkami skrętnymi, co pozwala utrzymać kontakt gąsienic z nierównym terenem. Nie jest to opcjonalne — robot gąsienicowy bez zawieszenia traci napięcie gąsienic i zrzuca je na nierównym terenie.

Charakterystyka eksploatacyjna

1. Stosunek ładowności do masy

Roboty gąsienicowe mogą przewozić ładunek proporcjonalnie większy w stosunku do swojej masy niż roboty kołowe. Robot gąsienicowy o masie 100 kg może przewozić ładunek o masie 100 kg (stosunek 1:1). Porównywalny robot kołowy może przewozić ładunek o masie wynoszącej 25–33% swojej własnej masy. To sprawia, że napęd gąsienicowy jest atrakcyjny w zastosowaniach, w których sam robot musi być mały i lekki, ale ładunek jest znaczny — rozpoznanie, reagowanie na katastrofy, pobieranie próbek w rolnictwie.

2. Zdolność terenowa

Roboty gąsienicowe pokonują bardziej strome wzniesienia (w testach do 34°, w porównaniu z ~31° w przypadku robotów kołowych), pokonują przeszkody wyższe o 60–100% oraz lepiej utrzymują tor jazdy na zboczach o nachyleniu powyżej 15°. Na miękkich nawierzchniach — piasku, błocie, śniegu, luźnej ziemi — roboty gąsienicowe poruszają się tam, gdzie roboty kołowe grzęzną i utknęły. Jest to kluczowa zaleta tej architektury i powód, dla którego dominuje ona w zastosowaniach zewnętrznych, terenowych i w każdym terenie.

3. Prędkość

0,5–1,5 m/s w przypadku przemysłowych robotów gąsienicowych. Jest to prędkość mniejsza niż w przypadku ich kołowych odpowiedników (które zazwyczaj osiągają prędkość 1,5–2,5 m/s). Ograniczenie prędkości wynika z dwóch przyczyn: tarcie gąsienic wzrasta wraz z prędkością, a pojazdy gąsienicowe trudniej jest zatrzymać, ponieważ duża powierzchnia styku z podłożem, która zapewnia nośność, powoduje również większe przenoszenie pędu na podłoże podczas hamowania.

4. Dokładność pozycjonowania

±10–20 mm, co stanowi najniższą wartość spośród czterech architektur. Poślizg gąsienic jest nieodłącznym elementem układu skrętu poślizgowego — podczas skręcania gąsienice muszą przesuwać się poprzecznie po podłożu, a stopień poślizgu zależy od rodzaju nawierzchni, jej wilgotności, napięcia gąsienic oraz ich zużycia. W związku z tym pomiary odometryczne z enkoderów silników są niewiarygodne. Do precyzyjnego pozycjonowania robotów gąsienicowych niezbędne jest wykorzystanie GPS, wizualnego SLAM-u lub zewnętrznej infrastruktury lokalizacyjnej (np. reflektorów lub taśmy magnetycznej).

5. Kompatybilność z podłogami wewnętrznymi

Słabe. Gumowe gąsienice na posadzkach epoksydowych lub z polerowanego betonu pozostawiają widoczne ślady. Gąsienice wzmocnione stalą mogą wyżłobić powlekane posadzki. Ruch obrotowy ładowarki o sterowaniu burtowym szoruje powierzchnię posadzki. Roboty gąsienicowe zasadniczo nie są zalecane do stosowania na wykończonych podłogach wewnętrznych. Jeśli robot gąsienicowy musi pracować w pomieszczeniach (np. robot budowlany przemieszczający się między obszarami wewnętrznymi i zewnętrznymi), konieczne jest zastosowanie środków ochrony podłogi, a obiekt powinien uwzględnić w budżecie regularną renowację podłogi.

6. Efektywność energetyczna

Najniższa spośród wszystkich architektur napędowych. Energia jest zużywana na opór gąsienic, dużą liczbę elementów obrotowych (koła łańcuchowe, koła napinające, koła jezdne) oraz ciągłe odkształcanie się gąsienicy podczas przemieszczania się po torze. Roboty gąsienicowe zużywają o 25–30% więcej energii niż roboty kołowe na tej samej powierzchni oraz o 50% lub więcej na trudnym terenie. Robot gąsienicowy, który działa przez 4 godziny na jednym ładowaniu akumulatora, może mieć swój kołowy odpowiednik, który działa przez 6–8 godzin.

7. Koszt

Układ napędowy jest 1,5–2,5 razy droższy od mechanizmu różnicowego w pojeździe z napędem na dwa koła (2WD). Gąsienice są elementami eksploatacyjnymi — zestaw przemysłowych gąsienic gumowych kosztuje $500–$2 000 i wystarcza na 1 000–3 000 godzin pracy, w zależności od stopnia ścieralności terenu. Wymiana gąsienic stanowi znaczącą pozycję w kosztach konserwacji, której nie ma w przypadku robotów kołowych.

Kiedy wybrać napęd gąsienicowy

Wybierz napęd gąsienicowy, gdy:

• Głównym podłożem, na którym poruszasz się, jest teren na świeżym powietrzu, nieutwardzony, miękki lub nierówny
• Trzeba pokonywać zbocza o nachyleniu powyżej 20°
• Musisz pokonać przeszkody wyższe niż 80 mm
• Stosunek ładowności do masy robota musi być wysoki (0,5:1 lub większy)
• Zużycie podłogi w pomieszczeniach nie stanowi problemu (lub korzystasz z urządzenia w pomieszczeniach jedynie podczas krótkich przemieszczeń)

Nie należy wybierać napędu gąsienicowego, gdy:

• Główną powierzchnią roboczą jest wykończona podłoga wewnątrz pomieszczenia
• Potrzebna jest dokładność pozycjonowania lepsza niż ±10 mm
• Potrzebna jest prędkość jazdy powyżej 1,5 m/s
• Żywotność baterii i efektywność energetyczna stanowią kluczowe ograniczenia eksploatacyjne
• Wdrażacie rozwiązanie na dużą skalę i chcecie uniknąć wymiany torów jako powtarzającego się kosztu konserwacji

Bezpośrednie porównanie układów napędowych robotów mobilnych pod kątem kryteriów decyzyjnych

Ładowność

Mechanizm różnicowy w wersji 2WD:     ████████░░░░░░░░░░   Do 500 kg
Ładowarka o sterowaniu burtowym z napędem na 4 koła: ██████████████░░░░   Do 2 000 kg
Układ kierowniczy 4WS: ██████████████████   Do 6 500+ kg
Gąsienicowy: ████████████░░░░░░   Do 2 000+ kg
 (ale doskonały stosunek ładowności do masy)

Dokładność pozycjonowania (im niższa, tym lepsza)

Różnica między ±10 mm a ±2 mm może wydawać się niewielka. Jednak w warunkach produkcyjnych oznacza to różnicę między robotem, który niezawodnie dokuje w 99,5% przypadków, a takim, który wymaga ręcznej interwencji kilka razy na zmianę.

Kompatybilność z rodzajami podłóg

Struktura kosztów w ciągu 5-letniego cyklu życia

Są to szacunki rzędu wielkości dla pojedynczego robota pracującego na jednej zmianie dziennie. Praca w trybie 24/7 w systemie trzyzmianowym powoduje wzrost kosztów materiałów eksploatacyjnych i konserwacji o około 2,5–3 razy. Flota 10 robotów powoduje wzrost tych kosztów dziesięciokrotnie, ale przy pewnych korzyściach skali w zakresie zapasów części zamiennych i czasu pracy techników.

Jak wybrać odpowiedni układ napędowy AMR?

Wybór układu napędowego sprowadza się do pięciu pytań. Odpowiedz na nie po kolei.

Pytanie 1: Gdzie będzie działał robot?

• Gładkie podłogi wewnętrzne (epoksydowe, z polerowanego betonu): Rozwiązania 2WD, 4WD lub 4WS są równie dobre. 2WD stanowi optymalny pod względem kosztów punkt wyjścia.
• Nierówne podłogi wewnątrz budynków (niezabezpieczony beton, pęknięcia, spoiny): Napęd na cztery koła (4WD) lub napęd na cztery koła z niezależnym sterowaniem (4WS). W przypadku napędu na dwa koła (2WD) pojazd straci przyczepność i zacznie się ślizgać.
• Powierzchnie zewnętrzne, nieutwardzone, miękkie lub nachylone: Konfiguracje gąsienicowe. Konfiguracje kołowe nie będą działać niezawodnie.
• Mieszane (w pomieszczeniach i na zewnątrz): 4WS (z oponami pneumatycznymi) lub gąsienicowe, w zależności od tolerancji wykończenia podłogi w pomieszczeniu.

Pytanie 2: Jaka jest maksymalna ładowność?

• < 500 kg: Mechanizm różnicowy w układzie 2WD jest wystarczający i najbardziej opłacalny.
• 500–1 000 kg: Miniładowarka z napędem na cztery koła (4WD) lub z napędem na wszystkie koła (4WS). Napęd na dwa koła (2WD) osiągnął już swoje granice.
• 1 000–2 000 kg: Napęd 4WS to standardowe rozwiązanie. Napęd 4WD jest możliwy przy odpowiednim doborze mocy silnika.
• > 2 000 kg: Układ 4WS to jedyna praktyczna architektura kołowa. Układ gąsienicowy jest opcją tylko wtedy, gdy wymaga tego nawierzchnia.

Pytanie 3: Jakiej dokładności pozycjonowania potrzebujesz?

• ±10 mm lub większy luz: Dyferencjał w układzie 2WD jest wystarczający. (Typowe zastosowanie: kompletacja typu „towar do człowieka”, transport między strefami.)
• ±5–10 mm: 4WD lub 4WS. (Typowe zastosowanie: połączenie z przenośnikiem, podnoszenie palet.)
• ±2–5 mm: Architektura 4WS jest jedyną, która niezawodnie to zapewnia. (Typowe zastosowania: dokowanie na linii produkcyjnej, precyzyjny montaż, obsługa półprzewodników.)

Pytanie 4: Jak bardzo ograniczona jest Twoja przestrzeń?

• Szerokie przejścia (>3 m), proste trasy: Mechanizm różnicowy w układzie 2WD. Do obrotu na miejscu wystarcza sterowanie za pomocą mechanizmu różnicowego.
• Wąskie korytarze (2–3 m): Napęd na cztery koła (4WD) lub układ kierowniczy na cztery koła (4WS). Układ kierowniczy na cztery koła (4WS) z trybem jazdy bokiem zapewnia największą elastyczność.
• Bardzo wąskie korytarze (<2 m), trudne manewry: 4WS. Ruch krabowy to jedyny sposób na dokowanie w poprzek w ograniczonej przestrzeni.
• Na świeżym powietrzu, na otwartym terenie: Z napędem na koła lub z napędem na cztery koła. Ograniczenia przestrzenne mają mniejsze znaczenie; najważniejsza jest zdolność pokonywania trudnego terenu.

Pytanie 5: Jaka jest Państwa pula środków?

• Zminimalizuj koszt jednostkowy, wdrażając rozwiązanie na dużą skalę: Mechanizm różnicowy w napędzie na dwa koła.
• Umiarkowana dopłata za większe możliwości: Miniładowarka z napędem na cztery koła.
• Nacisk na wyniki, koszt jednostkowy ma drugorzędne znaczenie: 4WS.
• Zdolność pokonywania przeszkód terenowych bez względu na rodzaj podłogi w pomieszczeniach: Śledzone.

Macierz decyzyjna

Normy bezpieczeństwa i ich wpływ na projektowanie układów napędowych AMR

Układ napędowy ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo funkcjonalne. Normy bezpieczeństwa nie określają, jaką architekturę napędu należy zastosować. Niemniej jednak to właśnie architektura decyduje o tym, w jaki sposób wdrażane są funkcje bezpieczeństwa — oraz ile one kosztują.

ISO 3691-4: Bezzałogowe wózki przemysłowe

ISO 3691-4:2023 reguluje kwestie bezpieczeństwa bezzałogowych wózków przemysłowych (automatycznie sterowanych pojazdów oraz autonomicznych robotów mobilnych w środowiskach przemysłowych). Kluczowe wymagania mające wpływ na projekt układu napędowego:

1. Funkcja Safe Torque Off (STO)

Każdy silnik napędowy musi obsługiwać funkcję STO — czyli możliwość wyłączenia momentu obrotowego przy jednoczesnym utrzymaniu połączenia mechanicznego w trybie elektrycznym. Funkcja ta jest zazwyczaj realizowana za pośrednictwem sterownika silnika (wejścia STO w serwonapędzie). W robocie z napędem 2WD potrzebne są dwa kanały STO. W robocie z napędem 4WS potrzeba ośmiu (cztery do napędu + cztery do sterowania).

2. Skuteczność hamowania

Robot musi zatrzymać się w określonej odległości przy maksymalnym obciążeniu i maksymalnej prędkości. Układ hamulcowy (elektromagnetyczne hamulce trzymające na silnikach oraz ewentualne hamulce mechaniczne) musi być dobrany pod kątem najgorszego scenariusza. Robot z napędem na wszystkie koła (4WS), poruszający się z prędkością 2,0 m/s i przewożący 2 000 kg, wymaga znacznie większego momentu hamowania niż robot z napędem na dwa koła (2WD), poruszający się z prędkością 1,5 m/s i przewożący 250 kg.

3. Stabilność

Robot nie może się przewrócić w określonych warunkach nachylenia, prędkości i obciążenia. W obliczeniach stabilności uwzględnia się położenie środka ciężkości układu napędowego, rozstaw osi oraz geometrię zawieszenia. Roboty gąsienicowe mają naturalną przewagę pod względem stabilności dzięki szerokiej powierzchni styku z podłożem i nisko położonemu środkowi ciężkości.

4. Kontrola prędkości

Sterownik bezpieczeństwa musi samodzielnie monitorować prędkość robota i uruchamiać zatrzymanie ochronne, jeśli prędkość ta przekroczy ustawiony limit. Wymaga to zastosowania redundantnych czujników prędkości — zazwyczaj są to enkodery silnika oraz niezależny czujnik (radar, drugi enkoder lub zewnętrzny system pomiarowy).

ANSI/RIA R15.08: Bezpieczeństwo przemysłowych robotów mobilnych

ANSI/RIA R15.08 jest amerykańską normą dotyczącą bezpieczeństwa przemysłowych robotów mobilnych. Klasyfikuje ona roboty na typ A (autonomiczne roboty mobilne bez manipulatora), typ B (AMR z manipulatorem) oraz typ C (mobilne manipulatory wykonujące zadania w wielu lokalizacjach). Konsekwencje dla układu napędowego:

1. Wnioski typu A (AMR przeznaczone wyłącznie do transportu)

Każda architektura napędu może spełniać te wymagania. Główny ciężar zapewnienia bezpieczeństwa spoczywa na systemach nawigacji i wykrywania przeszkód.

2. Wnioski typu B/C (urządzenia do automatycznego przenoszenia z przenośnikami i ramionami robotycznymi)

Precyzja dokowania staje się kwestią bezpieczeństwa — jeśli robot nie dokuje się dokładnie, może dojść do awarii manipulatora lub interfejsu przenośnika, co stwarza zagrożenie. W sytuacji, gdy tolerancja dokowania jest niewielka, skłania to do stosowania rozwiązań 4WS.

Koszt bezpieczeństwa funkcjonalnego w zależności od architektury

Liczba silników bezpośrednio determinuje liczbę kanałów STO, osi monitorowanych pod kątem bezpiecznej prędkości oraz interfejsów enkoderów z certyfikatem bezpieczeństwa. Mówiąc w uproszczeniu:

• Napęd na 2 koła: 2 kanały STO, 2 osie z funkcją bezpiecznej prędkości. Najniższy koszt komponentów związanych z bezpieczeństwem.
• Napęd na cztery koła: 4 kanały STO, 4 osie z funkcją bezpiecznej prędkości. Umiarkowany koszt komponentów związanych z bezpieczeństwem.
• 4WS: 8 kanałów STO (4 napędowe + 4 sterujące), 8 osi z kontrolą prędkości bezpieczeństwa. Najwyższy koszt komponentów związanych z bezpieczeństwem. Enkodery absolutne z certyfikatem bezpieczeństwa na osiach sterujących zwiększają koszt o $200–$500 na koło.
• Śledzone: 2 kanały STO, 2 osie o bezpiecznej prędkości. Działa podobnie jak w przypadku napędu 2WD, ale ze względu na pęd robota w każdym terenie może zaistnieć potrzeba zastosowania większego mechanicznego układu hamulcowego.

Koszty te nie są bez znaczenia. W przypadku robota z napędem 4WS sam sprzęt zapewniający bezpieczeństwo funkcjonalne — napędy z certyfikatem bezpieczeństwa, sterownik PLC z funkcją bezpieczeństwa, enkodery bezpieczeństwa, czujniki bezpieczeństwa — może przewyższyć koszt zestawienia materiałów (BOM) kompletnego układu napędowego 2WD. Zdarzało się, że integratorzy wybierali układ 4WS do zastosowań, z którymi poradziłby sobie robot z napędem 2WD po wprowadzeniu kilku zmian w posadzce i poszerzeniu korytarza. To nie jest inżynieria — to wydawanie pieniędzy, których nie trzeba było wydawać. Gdy zastosowanie rzeczywiście wymaga osiągów 4WS, lista materiałów związanych z bezpieczeństwem jest niezbędną pozycją w budżecie. Gdy tak nie jest, przemawia to za prostotą rozwiązania.

Wniosek: Dopasuj układ napędowy robota mobilnego do swoich potrzeb operacyjnych

Po przeanalizowaniu ponad 3 000 słów poświęconych porównaniu czterech architektur napędów pod kątem kilkunastu kryteriów nie można stwierdzić, że jeden system jest najlepszy. Wniosek jest taki, że wybór systemu napędowego polega na dopasowaniu wymagań eksploatacyjnych do mocnych i słabych stron poszczególnych architektur.

Większość projektów automatyzacji magazynów powinna rozpoczynać się od rozważenia zastosowania napędu różnicowego 2WD. Jest to najprostsza, najtańsza i najbardziej energooszczędna opcja, która sprawdza się w większości zastosowań logistycznych w pomieszczeniach. Na wyższy poziom złożoności należy przejść tylko wtedy, gdy wymagają tego konkretne potrzeby operacyjne.

Napęd na cztery koła (4WD) to logiczny pierwszy krok w górę: większa ładowność, lepsza przyczepność i nieco wyższy koszt. Układ 4WS jest liderem pod względem precyzji i ładowności, a jego wyższa cena jest uzasadniona, gdy wymagane jest dokowanie z dokładnością do ±2 mm lub ruch we wszystkich kierunkach w ciasnych przestrzeniach. Napęd gąsienicowy jest specjalistycznym rozwiązaniem do zastosowań na zewnątrz — niezbędnym w trudnym terenie, ale nieodpowiednim do wykończonych podłóg wewnątrz budynków.

Najdroższym błędem nie jest wybór niewłaściwej architektury. Najdroższym błędem jest wybór architektury o zbyt rozbudowanej specyfikacji dla aplikacji, która jej nie potrzebuje. Flota 20 robotów AMR z układami napędowymi 4WS w magazynie o szerokich korytarzach, gładkich podłogach i tolerancji dokowania ±10 mm — to koszt $300,000–$500 000, które należało przeznaczyć na drugą zmianę robotów z napędem 2WD, lepsze efektory końcowe lub rozbudowę antresoli. Dopasuj układ napędowy do wymagań, a nie do arkusza specyfikacji.

Czy są Państwo gotowi do doboru układu napędowego do swojego robota mobilnego?

Skontaktuj się z zespołem inżynierów firmy Fdata aby omówić Państwa wymagania dotyczące ładunku, wysokości podłogi, precyzji i budżetu. Tworzymy rozwiązania na zamówienie podwozie robota mobilnego w konfiguracjach z napędem na 2 koła (2WD), na 4 koła (4WD), z napędem na 4 koła i sterowaniem na 4 koła (4WS) oraz gąsienicowe do zastosowań przemysłowych w sektorze B2B na całym świecie.

FAQ