Сравнение систем привода мобильных роботов: 2WD, 4WD, 4WS и гусеничные роботы

Система привода мобильного робота определяет, где он может работать, что он может перевозить и насколько точно он может позиционироваться — при этом на неё приходится 10–25% от общей стоимости спецификации AMR и 25–40% от энергопотребления.

В данном руководстве проводится сравнение четырёх основных архитектур привода AMR — дифференциального привода 2WD, 4WD с поворотными колесами, 4WS с полным рулевым управлением и гусеничный привод — по таким параметрам, как грузоподъемность, точность позиционирования, совместимость с полом, энергоэффективность и совокупная стоимость владения, чтобы инженерные и закупочные подразделения могли подбирать шасси в соответствии с эксплуатационными требованиями, опираясь на фактические данные, а не на маркетинговые заявления.

Сравнение систем привода мобильных роботов: 2WD, 4WD, 4WS и гусеничные роботы

Коротко

1. Дифференциальный привод с двумя ведущими колесами (2WD)

Дифференциальный привод 2WD — это самый простой и экономичный вариант. Он хорошо подходит для ровных, гладких полов при перевозке грузов с малой и средней нагрузкой. Если на вашем предприятии ровные эпоксидные или бетонные полы и вы перемещаете контейнеры или небольшие поддоны, начните именно с этого варианта.

2. Мини-погрузчик с полным приводом

Мини-погрузчик с полным приводом (4WD) обеспечивает лучшее сцепление с дорогой и более равномерное распределение нагрузки. Он справляется с более тяжелыми грузами и может работать на немного более неровных поверхностях, чем модель с передним приводом (2WD), однако при этом теряет часть маневренности, необходимой для работы в помещениях.

3. 4WS (четырёхколесное рулевое управление)

Система 4WS (четырёхколесное рулевое управление) обеспечивает маневренность во всех направлениях и максимальную точность позиционирования. Это оптимальный выбор, если требуется точность стыковки ±2 мм, работа в узких проходах или перевозка грузов весом свыше 1 000 кг.

4. Гусеничный привод

Гусеничный привод — это специалист по работе на открытом воздухе и в условиях пересеченной местности. Он преодолевает препятствия, с которыми не справляются колесные роботы, поднимается по более крутым склонам и перевозит пропорционально более тяжелые грузы — за счет снижения скорости, энергоэффективности и увеличения износа пола в помещениях.

Не существует единой “лучшей” системы привода. Выбор подходящей системы зависит от типа поверхности пола, требований к грузоподъёмности, ограничений по площади, требований к точности и бюджета.

В данном руководстве подробно рассмотрены все системы, чтобы вы могли принять решение, опираясь на конкретные технические данные, а не на общие маркетинговые формулировки.

Почему выбор системы привода AMR определяет всё, что будет происходить дальше

Система привода — это не просто один из многих компонентов. Это архитектурное решение, которое определяет, как движется робот, где он может работать, что он может перевозить, насколько точно он позиционируется, сколько энергии он потребляет, а также сколько стоит его приобретение и обслуживание.

Изменив систему привода, вы изменяете всё, что с этим связано: размеры двигателя, ёмкость аккумулятора, архитектуру системы управления, конфигурацию системы безопасности, требования к подготовке пола, а также совокупную стоимость владения в течение 5–7-летнего срока эксплуатации автопарка.

Тем не менее во многих процессах закупок система привода рассматривается скорее как пункт в списке технических характеристик, а не как стратегическое решение. Эта статья предназначена для инженеров и руководителей производственных подразделений, которым необходимо принимать такое решение на основе реальных данных, а не маркетинговых заявлений.

В этой статье рассматриваются следующие вопросы:

• На сегодняшний день четырьмя основными архитектурами привода в промышленных мобильных роботах являются дифференциальный привод 2WD, привод 4WD с поворотными колесами, независимое рулевое управление 4WS и гусеничный привод
• Как каждая система работает с механической и электрической точек зрения
• Данные о технических характеристиках: грузоподъёмность, скорость, точность, совместимость с полом и энергопотребление
• Система принятия решений, которая позволяет соотнести ваши эксплуатационные требования с подходящей приводной системой
• Соответствующие стандарты безопасности (ISO 3691-4, ANSI/RIA R15.08) и влияние выбора приводной системы на архитектуру безопасности

Что не рассматривается в этой статье:

• Системы Mecanum и Omni-wheel (это специальные конфигурации для конкретных случаев применения; им посвящена отдельная статья)
• Передвижение на ногах или гибридное передвижение (за пределами сферы применения промышленных колесных/гусеничных платформ)
• Робототехника для потребителей или любителей

Сравнительная таблица систем привода мобильных роботов

AMR с приводом на передние колеса (2WD)

Как это работает

Робот с дифференциальным приводом использует два независимо приводных колеса, установленных на общей оси, как правило, в центре шасси. Одно или несколько пассивных опорных колес обеспечивают равновесие — два опорных колеса в 4-колесной конфигурации или четыре опорных колеса в 6-колесной конфигурации для более тяжёлых грузов.

Управление осуществляется исключительно за счёт разницы в скорости левого и правого ведущих колёс. Если оба колёса вращаются вперёд с одинаковой скоростью, робот движется прямо. Если левое колёсо вращается быстрее правого, робот поворачивает направо. Если они вращаются с равными, но противоположными скоростями, робот поворачивается на месте вокруг своей центральной точки.

Здесь нет двигателя рулевого управления, нет рулевого механизма, нет шкворня и нет сервоуправления углом поворота руля. Всю работу выполняют приводные двигатели, а система управления соответственно проста: это ПИД-регулятор с прогнозированием, регулирующий скорость каждого колеса на основе сигналов обратной связи от энкодеров.

Именно в этой простоте заключается главная сила архитектуры. Она же является источником всех последующих ограничений.

Основные компоненты

1. Два приводных двигателя

Как правило, это бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) со встроенными планетарными или гармоническими редукторами. Типичный диапазон мощности: 200–750 Вт на один двигатель для автономных мобильных роботов (AMR) складского класса.

2. Инкрементные энкодеры

По одному на каждый приводной двигатель, как правило, 1 024–4 096 PPR (импульсов на оборот). Они обеспечивают обратную связь по скорости и положению для контура управления. В системах с дифференциальным приводом отсутствуют абсолютные датчики поворота, поскольку нет оси поворота, которую нужно измерить.

3. Пассивные кастеры

Ролики с полиуретановым протектором, обычно диаметром 75–150 мм, с поворотными головками на двух подшипниках. Это изнашиваемые детали, которые при круглосуточном режиме эксплуатации заменяются ежегодно.

4. Драйверы/контроллеры двигателей

Приводы, подключенные к сетям CANopen или EtherCAT, зачастую со встроенной функцией STO (Safe Torque Off) для обеспечения соответствия требованиям функциональной безопасности.

5. Подвеска (опция)

Пружинные крепления колес или центральный шарнир, обеспечивающие постоянный контакт с поверхностью на слегка неровных полах. Многие роботы начального уровня с дифференциальным приводом не оснащены подвеской и зависят от ровности пола.

Эксплуатационные характеристики

1. Полезная нагрузка

В стандартных промышленных конфигурациях роботы с дифференциальным приводом на две оси (2WD) способны выдерживать полезную нагрузку до 300–500 кг. Ограничивающим фактором является не крутящий момент двигателя — всегда можно выбрать двигатели большей мощности. Настоящим ограничением являются грузоподъёмность опорных колёс и давление на пол. Каждое колесико выдерживает примерно половину полезной нагрузки плюс часть собственного веса робота. При конфигурации с четырьмя колесиками из полиуретана диаметром 75 мм, рассчитанными на 150 кг каждое, практический предел полезной нагрузки составляет около 500 кг. Мы видели, как интеграторы доводили этот показатель до 600 кг с помощью роликов диаметром 100 мм, но при таких нагрузках давление на пол начинает создавать проблемы при техническом обслуживании.

При весе свыше 500 кг ролики начинают быстро изнашиваться, возникают проблемы с разметкой пола, а тормозной путь робота под нагрузкой превышает допустимые нормы безопасности, если не перейти на более крупные и дорогие ролики и двигатели. В этом случае более экономичным выбором становится система полного привода (4WD) или система четырехколесного рулевого управления (4WS).

2. Скорость

1,5–2,0 м/с (5,4–7,2 км/ч) — это типичный рабочий диапазон скоростей для AMR с дифференциальным приводом, предназначенных для использования на складах. Этой скорости вполне достаточно для выполнения большинства задач внутрилогистики — робот, движущийся со скоростью 1,8 м/с, преодолевает 100-метровый складской проход менее чем за минуту. Возможны и более высокие скорости, но они влекут за собой дополнительные требования к дальности действия датчиков безопасности в соответствии со стандартом ISO 3691-4.

3. Точность позиционирования

 Производители указывают погрешность ±10 мм для роботов с дифференциальным приводом в реальных условиях эксплуатации. Это значение рассчитано при условии, что пол находится в хорошем состоянии, установлены полноприводные шины и проводится регулярная калибровка энкодера. Но если в дело вступают пыль, влага или неровности поверхности, точность быстро снижается — проскальзывание колес приводит к погрешностям в одометрии, которые энкодер сам по себе не может компенсировать.

Это фундаментальное ограничение точности дифференциального привода. Система косвенно определяет угол поворота рулевого колеса и его положение по скорости вращения колес. Когда колесо пробуксовывает, энкодер передает данные о движении, которого на самом деле не было. У системы управления нет независимого способа узнать, что ей предоставили ложные данные. ИМУ и локализация на основе SLAM компенсируют это на уровне навигации — но точность навигации по расчёту на уровне вождения остаётся ограниченной, независимо от того, насколько хорош ваш навигационный стек.

4. Требования к полу

Гладкий, ровный, горизонтальный и чистый. Роботы с дифференциальным приводом нуждаются в постоянном контакте обоих ведущих колес с поверхностью. Углубление, выступ или мусор, поднимающие одно ведущее колесо даже на несколько миллиметров, приводят к сходу робота с курса, поскольку приподнятое колесо вращается свободно, в то время как колесо, соприкасающееся с поверхностью, ведет робота по дуге. Идеально подходят бетонные полы с эпоксидным покрытием, находящиеся в хорошем состоянии. Полированный бетон с коэффициентом трения ниже 0,5 может вызывать скольжение. Ровность пола должна соответствовать или превышать требования FF35/FL25 согласно спецификациям ACI 117.

5. Энергоэффективность

Дифференциальный привод является наиболее энергоэффективной конфигурацией колесного транспортного средства. Благодаря наличию всего двух приводных двигателей и отсутствию энергопотребляющих приводов рулевого управления паразитные потери в этой архитектуре привода являются самыми низкими по сравнению с любой другой. Типичный AMR с дифференциальным приводом и грузоподъёмностью 200 кг потребляет 400–800 Вт при движении в установившемся режиме по ровному полу, что обеспечивает 6–8 часов работы от аккумулятора LiFePO4 напряжением 48 В и ёмкостью 60 А·ч.

6. Стоимость

Стоимость приводной системы — двух узлов «двигатель + редуктор + энкодер + драйвер», двух ведущих колес и набора опорных колес — составляет от $2,000 до $5,000 на уровне спецификации материалов (BOM) для компонентов промышленного класса. Это ваш базовый показатель. Любая другая конфигурация оценивается с учетом этой цифры.

Когда следует выбирать привод на два колеса (2WD)

Выбирайте дифференциальный привод в следующих случаях:

• Ваш груз весит менее 500 кг
• Ваши полы гладкие, ровные и находятся в хорошем состоянии
• Ваши маршруты относительно просты (от точки до точки, без сложных маневров)
• Вы осуществляете развертывание в больших масштабах, и стоимость единицы продукции имеет значение
• Допуск на стыковку составляет ±10 мм или больше
• Вам нужен максимально простой график технического обслуживания

Не выбирайте дифференциальный привод в следующих случаях:

• На ваших полах имеются перепады высоты, деформационные швы или неровности
• Вам необходимо уметь двигаться вбок (по-крабовому)
• Вам требуется точность стыковки лучше, чем ±5 мм
• Ваш груз превышает 500 кг
• Вы работаете в условиях повышенной влажности, запыленности или наличия мусора, когда существует вероятность пробуксовки колес

Привод мобильного робота с полным приводом и поворотной платформой

Как это работает

Робот-мини-погрузчик с полным приводом использует четыре ведущих колеса, расположенных двумя парами — по одной с каждой стороны. Все колеса на каждой стороне механически связаны между собой или синхронизированы электронным способом, чтобы вращаться с одинаковой скоростью. Управление осуществляется за счёт разницы в скорости вращения левой и правой сторон — по тому же принципу, что и у дифференциала с двумя ведущими колесами, но с четырьмя ведущими колесами вместо двух.

Главное преимущество по сравнению с приводом на две оси — это сцепление с поверхностью. Благодаря четырём точкам соприкосновения вместо двух робот может передавать на пол больший крутящий момент двигателя до того, как колеса начнут пробуксовывать. Это напрямую приводит к увеличению грузоподъёмности, улучшению способности преодолевать подъёмы и более надёжному передвижению по полам с умеренным загрязнением (пыль, небольшая влажность).

Компромиссом является пробуксовка. Когда робот с полным приводом поворачивает, наружные колеса скользят в поперечном направлении по полу, поскольку их ориентация зафиксирована. При движении на полиуретановых колесах по эпоксидной поверхности вы услышите характерный скрип — и заметите ускоренный износ шин, особенно на передних и задних колесах, которые при поворотах проходят наибольшее боковое расстояние. Если вы когда-нибудь наблюдали за работой мини-погрузчика на бетоне, то точно знаете, как это звучит.

Основные компоненты

1. Четыре приводных двигателя

По одному на каждое колесо; для роботов складского класса мощность каждого двигателя обычно составляет 200–750 Вт. Стандартом по-прежнему остаются бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) с планетарными редукторами. В некоторых конструкциях для привода каждой стороны используются два более мощных двигателя через механическую связь (ремень или цепь), что позволяет уменьшить количество двигателей, но повышает механическую сложность.

2. Синхронизация двигателей

Современный подход заключается в электронной синхронизации через CANopen или EtherCAT. В более старых или недорогих конструкциях используется механическая связь (по одному двигателю на каждую сторону с приводным валом и дифференциалом), однако это исключает возможность независимого управления колесами.

3. Приостановка

Это имеет большее значение для роботов с полным приводом (4WD), чем для роботов с приводом на две оси (2WD). Если одно колесо теряет контакт с поверхностью на неровном рельефе, робот теряет сцепление с дорогой с этой стороны пропорционально степени потери контакта. Подвеска типа «рокер-боги» или независимая подвеска с поворотными рычагами широко используется на роботах с полным приводом более высокого класса. Предварительная нагрузка пружин должна быть тщательно отрегулирована — если она слишком слабая, робот раскачивается под нагрузкой; если слишком жесткая, подвеска не работает должным образом.

4. Шины

Имеют больший диаметр, чем аналогичные модели с приводом на две оси (обычно 200–400 мм против 125–250 мм), чтобы обеспечить ход подвески и распределить более высокие нагрузки. В качестве стандартного материала по-прежнему используется полиуретан; пневматические шины устанавливаются на роботах с полным приводом, предназначенных для работы на открытой местности.

Эксплуатационные характеристики

1. Полезная нагрузка

Роботы с полным приводом и поворотной платформой обычно перемещают грузы весом 200–2 000 кг. Нижний диапазон (200–500 кг) предназначен для компактных складских роботов; верхний диапазон (1 000–2 000 кг) — для автономных мобильных роботов (AMR), перемещающих поддоны, и автономных вилочных погрузчиков. Благодаря четырём опорным поверхностям, распределяющим нагрузку, давление на пол на одно колесо ниже, чем у робота с приводом на две оси, перевозящего такую же грузоподъёмность, что позволяет снизить износ пола и вероятность отказов, связанных с опорными колёсами.

2. Скорость

1,5–2,5 м/с. На практике скорость выше, чем у автомобилей с приводом на две колеса, поскольку дополнительная тяга позволяет быстрее разгоняться и тормозить без пробуксовки колес. Максимальная скорость, как правило, ограничивается дальностью действия датчика безопасности, а не возможностями двигателя.

3. Точность позиционирования

±5–10 мм. Превосходит полноприводные модели, поскольку уменьшение пробуксовки колёс повышает надёжность одометрии на основе датчиков. Однако механизм поворота с боковым управлением создаёт собственный источник погрешности — во время поворота боковое скольжение шин непредсказуемо и зависит от состояния пола, износа шин и распределения нагрузки.

4. Требования к полу

Более ровная и прочная, чем требуется для машин с приводом на две оси. При каждом повороте мини-погрузчик оказывает боковые нагрузки на поверхность пола. Эпоксидные покрытия должны иметь надлежащую адгезию и достаточную толщину, чтобы противостоять отслоению. Бетонные полы следует герметизировать, чтобы предотвратить образование пыли в результате истирания шин. В течение нескольких недель после ввода в эксплуатацию на поверхности пола вдоль маршрутов движения робота появятся заметные следы износа — это нормальное явление, и на его устранение следует заложить средства в бюджет на техническое обслуживание объекта.

5. Энергоэффективность

Энергопотребление выше, чем у роботов с приводом на две оси (2WD), что обусловлено наличием четырёх двигателей и потерями энергии из-за трения шин при поворотах. Ожидается, что потребление энергии на метр пробега будет на 15–25% выше по сравнению с роботом с приводом на две оси аналогичной массы. В типичной складской среде при использовании AMR робот с приводом на четыре оси потребляет 600–1000 Вт при движении в установившемся режиме.

6. Стоимость

Стоимость приводной системы в 1,5–2 раза превышает стоимость аналога с приводом на две оси. Четыре узла «двигатель + редуктор + энкодер», четыре драйвера, четыре колеса и система подвески — всё это увеличивает стоимость. Подвеска является самым значительным фактором, увеличивающим стоимость: надлежащая независимая подвеска с обработанными на станке поворотными рычагами и пружинно-амортизаторными узлами может стоить столько же, сколько и двигатели, которые она поддерживает.

Когда стоит выбрать мини-погрузчик с полным приводом

Выбирайте мини-погрузчик с полным приводом в следующих случаях:

• Ваша грузоподъёмность составляет 500–2 000 кг
• Ваши полы в целом ровные, но на них могут быть незначительные неровности
• Для разгона, торможения или движения по небольшим подъемам требуется лучшее сцепление с дорогой, чем у автомобилей с приводом на две оси (2WD)
• Ваш бюджет позволяет покрыть надбавку к стоимости в 1,5–2 раза по сравнению с моделями с приводом на две колеса
• Вы допускаете некоторый износ напольного покрытия в результате движения мини-погрузчика

4WS — автономные транспортные средства (AGV/AMR) с четырехколесным рулевым управлением

Как это работает

Робот с системой 4WS использует четыре независимо управляемых ведущих колеса — по одному на каждом углу шасси. Каждый колесный узел (иногда называемый “рулевым приводом” или “управляющим приводом”) состоит из двух двигателей: тягового двигателя, который приводит колесо в движение вперёд и назад, и рулевого двигателя, который поворачивает весь колесный узел вокруг вертикальной оси.

Такая архитектура с двумя двигателями на каждое колесо обеспечивает системе управления независимым контролем как над скоростью, так и над углом поворота каждого колеса. Результатом является подлинная всенаправленная мобильность: робот может двигаться вперёд, назад, вбок (в «крабовом» режиме), по диагонали или вращаться на месте, а также переключаться между этими режимами без остановки.

Преимущество в точности обеспечивается за счет установки абсолютного энкодера на каждой оси рулевого управления. В отличие от дифференциального привода, в котором угол поворота определяется по скорости колеса (косвенное измерение, подверженное влиянию пробуксовки), система 4WS измеряет фактический угол поворота непосредственно на каждом колесе. Типичный энкодер рулевого управления имеет разрешение ±0,1°, что обеспечивает точность поперетного управления на уровне шасси с точностью до долей миллиметра.

Основные компоненты (на одно колесо)

1. Тяговый двигатель

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) с планетарным редуктором, мощностью от 200 Вт до 2 кВт в зависимости от класса грузоподъемности. Обычно работает при напряжении 24–48 В постоянного тока и оснащен встроенным удерживающим тормозом.

2. Приводный двигатель рулевого управления

Меньше по размеру, чем тяговый двигатель (100–500 Вт), с червячным или гармоническим редуктором с высоким передаточным числом, обеспечивающим удержание угла поворота рулевого управления при воздействии дорожных сил. Редуктор должен обладать достаточной обратной приводной способностью, чтобы датчик положения рулевого управления мог регистрировать внешние возмущения, но при этом быть достаточно жестким, чтобы удерживать положение под нагрузкой.

3. Абсолютный энкодер (ось рулевого управления)

Именно этот компонент обеспечивает преимущество данной архитектуры в плане точности. Как правило, это многооборотный абсолютный энкодер с разрешением 17–19 бит, обеспечивающий точное измерение угла даже после циклов включения-выключения питания. При запуске не требуется процедура установки в исходное положение.

4. Инкрементный энкодер (тяговая ось)

Стандартный квадратурный энкодер, 1 024–4 096 импульсов на оборот.

5. Подшипник рулевого механизма

Поворотный подшипник большого диаметра или подшипник с перекрещенными роликами, который принимает на себя всю вертикальную нагрузку, действующую на данный угол робота, а также нагрузку от подвесного груза, обеспечивая при этом плавное вращение. Это дорогостоящий высокоточный узел.

6. Драйвер/контроллер

Двухосный сервопривод, обеспечивающий одновременное управление как углом поворота рулевого колеса, так и скоростью тяги. Протокол EtherCAT с технологией FSoE (FailSafe over EtherCAT) для интеграции функциональной безопасности.

Эксплуатационные характеристики

1. Полезная нагрузка

4WS — это архитектура, предназначенная для перевозки тяжелых грузов. Узлы с одним приводом рулевого управления от таких производителей, как SEW-Eurodrive и CFA, обеспечивают грузоподъёмность от 500 кг до более 6 500 кг на один колёсный узел. Четырёхколесный робот с системой 4WS, оснащённый приводами рулевого управления соответствующего размера, способен выдерживать грузы, которые были бы нереалистичны при использовании любой другой конфигурации.

Именно поэтому архитектура 4WS является доминирующей в сфере автономных вилочных погрузчиков, тяжелых паллетных транспортеров и логистических платформ для работы на открытом воздухе. Когда необходимо переместить 2 000 кг груза и пристыковать его к производственной линии с повторяемостью ±2 мм, 4WS — единственная колесная архитектура, способная одновременно удовлетворить оба этих требования.

2. Скорость

1,0–2,0 м/с. Максимальная скорость, как правило, ограничивается соображениями безопасности и способностью системы рулевого управления поддерживать угол поворота при динамических нагрузках, а не мощностью двигателя. На более высоких скоростях двигатели рулевого управления вынуждены работать с большей нагрузкой, чтобы удерживать угол поворота рулевого колеса, противодействуя силам, возникающим при прохождении поворотов, и ограничивающим фактором становится полоса пропускания контура управления.

3. Точность позиционирования

±2–5 мм в точке стыковки, при этом повторяемость в контролируемых условиях достигает ±2 мм. В этом заключается главное преимущество данной архитектуры. Сочетание прямого измерения угла поворота (абсолютные энкодеры), независимого управления колесами и возможности корректировать положение с помощью поперечного перемещения без переориентации шасси обеспечивает точность, недостижимую для дифференциальных систем и систем с поворотными колесами.

Это особенно важно в таких областях применения, как обработка полупроводниковых пластин, прецизионная подача на сборочные линии и доставка медицинских образцов, где погрешность позиционирования в 10 мм может привести к сбою захвата или столкновению.

4. Маневренность: Всенаправленный. Четыре стандартных режима:

• Режим Аккермана: Передние колеса поворачиваются, задние — неподвижные, как у автомобиля. Эффективно при движении по длинным прямым участкам.
• Режим «Краб»: Все четыре колеса поворачиваются на одинаковый угол. Робот движется по диагонали или в поперечном направлении, сохраняя ориентацию шасси. Это имеет решающее значение для стыковки в узких проходах.
• Вращение с нулевым радиусом: Колеса поворачиваются по касательной к окружности, центр которой находится на роботе. Робот вращается на месте без перемещения в продольном направлении — это меньше изнашивает пол, чем поворот с боковым скольжением.
• Автономный режим: Каждое колесо поворачивается под своим углом. Используется для выполнения специальных маневров, таких как поворот вокруг одного угла.

5. Требования к полу

К ровности поверхности предъявляются меньшие требования, чем при дифференциальном приводе, поскольку независимая подвеска на каждом углу обеспечивает постоянный контакт с поверхностью даже при умеренных неровностях. Однако поверхность должна обеспечивать стабильное трение — скользкий участок под одним из колес во время точного маневра может привести к потере управляемости этим колесом, а система локализации робота обнаружит ошибку и остановится, что приведет к срыву маневра.

6. Энергоэффективность

Наименее энергоэффективная из колесных конфигураций. Восемь двигателей (четыре тяговых + четыре рулевых) потребляют энергию даже в состоянии покоя, поскольку рулевые двигатели вынуждены удерживать положение, противодействуя внешним силам. На практике роботы с полным приводом (4WS) потребляют на 25–40% больше энергии на метр, чем аналогичные роботы с приводом на две оси (2WD). Это приводит к необходимости использования более ёмких аккумуляторов, увеличению времени зарядки или сокращению времени работы при той же ёмкости аккумулятора.

7. Стоимость

Система привода обходится в 3–5 раз дороже дифференциала с приводом на две оси. Посчитайте сами: четыре блока рулевого привода с двумя двигателями и абсолютными энкодерами, четыре двухосных сервопривода, четыре поворотных подшипника и жгуты проводов. Один приводной узел промышленного класса — двигатель, редуктор, энкодер, подшипник, без драйвера — стоит от $1 500 до $4 000 в зависимости от класса нагрузки. Умножьте на четыре. Добавьте четыре двухосных привода по $1 000–$2 000 каждый. И вы получите $10 000–$24 000 на одного робота только на стоимость приводной системы — без учёта шасси, аккумулятора, датчиков или системы управления. Такова цена точности.

Такие затраты оправданы, когда этого требуют требования к точности и грузоподъёмности. Они не оправданы, если робот с дифференциалом и приводом на две оси способен удовлетворить те же эксплуатационные требования при стоимости приводной системы, составляющей четверть от указанной.

Когда стоит выбрать систему 4WS (четырёхколесное рулевое управление)

Выбирайте 4WS в следующих случаях:

• Вам требуется точность стыковки ±5 мм или лучше
• На вашем предприятии узкие проходы, что требует движения вбок (поперечного движения)
• Ваш груз превышает 1 000 кг
• Необходимо, чтобы робот менял направление движения без переориентации шасси (прикрепленные конвейеры, чувствительные грузы)
• Ваши полы настолько неровные, что дифференциал с приводом на две оси потеряет сцепление с дорогой
• Ваша задача предполагает, что робот должен маневрировать в разных направлениях в ограниченном пространстве

Не выбирайте режим 4WS в следующих случаях:

• Система с приводом на две или четыре колеса позволяет удовлетворить ваши требования к точности и грузоподъёмности при меньших затратах
• Ваша команда не готова к сложностям, связанным с техническим обслуживанием (четыре узла с двумя двигателями, восемь энкодеров, требующих калибровки, больше вариантов отказов)
• Ваш энергетический бюджет ограничен (у модели 4WS по сравнению с 2WD наблюдается энергетический штраф в размере 25–40%)

Гусеничные мобильные роботы

Как это работает

В гусеничной системе привода колеса заменены непрерывными гусеницами — армированными резиновыми или стальными лентами, которые проходят вокруг набора ведущих звездочек, натяжных колес и опорных роликов с каждой стороны робота. Каждая гусеница приводится в движение независимо от других с помощью двигателя через ведущую звездочку, а управление осуществляется по принципу «скид-стир»: путем изменения скорости левой гусеницы по отношению к правой.

Отличительной механической характеристикой является большая площадь контакта. В то время как колесный робот распределяет свой вес на четыре небольшие зоны контакта (следы шин), гусеничный робот распределяет тот же вес по всей длине и ширине обеих гусениц. Это значительно снижает давление на грунт, благодаря чему гусеничные машины могут преодолевать мягкие поверхности, в которые колесные машины проваливаются — песок, грязь, снег, сыпучий гравий и рыхлый грунт.

К минусам относятся механическая сложность, более низкая скорость, более высокое энергопотребление и риск повреждения напольных покрытий в помещениях.

Основные компоненты

1. Ведущие звездочки

Из стали или алюминия, с зубьями, которые входят в зацепление с приводными выступами гусеницы. Двигатель напрямую приводит звездочку в движение через планетарную коробку передач. Звездочки большего размера снижают натяжение гусеницы и износ, но увеличивают общую ширину робота.

2. Натяжные ролики

Неприводные колеса спереди и сзади, которые поддерживают натяжение гусеницы и направляют её по контуру. Обычно устанавливаются на натяжных механизмах (регулировочных винтах или пружинных устройствах) для обеспечения правильного натяжения гусеницы.

3. Ходовые колеса/опорные ролики

Между натяжными роликами расположены более мелкие опорные колеса, которые поддерживают вес робота на нижней ветке гусеницы. Их количество и расстояние между ними являются ключевыми конструктивными параметрами — большее количество опорных колес обеспечивает более равномерное распределение давления на грунт, но при этом увеличивает вес и сопротивление качению.

4. Треки

Армированная резина с внутренними стальными или кевларовыми кордами является стандартом для промышленных роботов. Стальные гусеницы с резиновыми накладками используются в условиях экстремальных нагрузок (например, в строительстве и горнодобывающей промышленности). Ширина гусениц и рисунок протектора подбираются с учетом особенностей местности.

5. Двигатели

Более высокий крутящий момент по сравнению с аналогичными колесными роботами, поскольку гусеничный привод механически менее эффективен. Гусеничному роботу, несущему такую же полезную нагрузку, как и колесный робот, требуется примерно на 25–50% больше крутящего момента двигателя для преодоления трения гусениц.

6. Подвеска

Ходовые колеса, как правило, устанавливаются на тележке или торсионной подвеске, чтобы обеспечить постоянный контакт гусениц с неровной поверхностью. Это не является опцией — гусеничный робот без подвески теряет натяжение гусениц и сбрасывает их на пересеченной местности.

Эксплуатационные характеристики

1. Отношение полезной нагрузки к весу

Гусеничные роботы могут перевозить пропорционально большую полезную нагрузку по отношению к своей массе, чем колесные роботы. Гусеничный робот массой 100 кг может перевозить полезную нагрузку весом 100 кг (соотношение 1:1). Сопоставимый колесный робот может перевозить 25–33% от собственного веса. Это делает гусеничный привод привлекательным для задач, где сам робот должен быть небольшим и лёгким, но полезная нагрузка значительна — разведка, ликвидация последствий стихийных бедствий, отбор проб в сельском хозяйстве.

2. Внедорожные возможности

Гусеничные роботы преодолевают более крутые подъемы (в ходе испытаний — до 34°, по сравнению с ~31° у колесных), преодолевают препятствия высотой 60–100% и лучше удерживают траекторию движения на склонах крутизной более 15°. На мягких поверхностях — песке, грязи, снегу, рыхлой почве — гусеничные роботы продвигаются там, где колесные роботы проваливаются и застревают. Это определяющее преимущество данной архитектуры и причина, по которой она доминирует в наружных, внедорожных и вездеходных применениях.

3. Скорость

0,5–1,5 м/с для промышленных гусеничных роботов. Это ниже, чем у колесных аналогов (скорость которых обычно составляет 1,5–2,5 м/с). Ограничение скорости обусловлено двумя причинами: с увеличением скорости возрастает трение гусениц, а гусеничные транспортные средства сложнее остановить, поскольку большая площадь контакта с поверхностью, обеспечивающая плавучесть, также приводит к более значительной передаче импульса на грунт при торможении.

4. Точность позиционирования

±10–20 мм — самый низкий показатель среди четырёх архитектур. Проскальзывание гусениц является неотъемлемой особенностью поворотов с боковым управлением — при поворотах гусеницы вынуждены скользить по поверхности в поперечном направлении, а степень проскальзывания зависит от типа поверхности, её влажности, натяжения гусениц и степени их износа. Соответственно, данные одометрии, получаемые с датчиков вращения двигателей, являются ненадежными. Для точного позиционирования гусеничных роботов требуется использование GPS, визуального SLAM или внешней инфраструктуры локализации (например, отражателей или магнитной ленты).

5. Совместимость с полами в помещениях

Плохо. Резиновые гусеницы на эпоксидном покрытии или полированном бетоне оставляют заметные следы. Гусеницы со стальным армированием могут поцарапать полы с покрытием. Движение поворотного механизма истирает поверхность пола. Роботы на гусеничном ходу, как правило, не рекомендуются для использования на готовых напольных покрытиях в помещениях. Если робот на гусеничном ходу должен работать в помещении (например, строительный робот, перемещающийся между внутренними и наружными зонами), необходимо принять меры по защите пола, а руководство объекта должно предусмотреть в бюджете средства на регулярную реставрацию пола.

6. Энергоэффективность

Самая энергоемкая из всех архитектур привода. Трение гусениц, большое количество вращающихся элементов (ведущие звездочки, натяжные ролики, опорные колеса) и постоянная деформация гусениц при их движении по контуру — все это приводит к расходу энергии. Гусеничные роботы потребляют на 25–30% больше энергии, чем колесные роботы на той же поверхности, и на 50% или более — на пересечённой местности. У гусеничного робота, работающего 4 часа от аккумулятора, может быть колесный аналог, способный работать 6–8 часов.

7. Стоимость

Стоимость приводной системы в 1,5–2,5 раза превышает стоимость дифференциала с приводом на две оси. Гусеницы являются расходными материалами — комплект промышленных резиновых гусениц стоит от $500 до $2 000 и служит 1 000–3 000 рабочих часов в зависимости от абразивности местности. Замена гусениц — значительная статья расходов на техническое обслуживание, которой нет у колесных роботов.

Когда следует выбирать гусеничный привод

Выбирайте гусеничный привод в следующих случаях:

• Основная поверхность, на которой вы будете эксплуатировать устройство, — это открытая местность, неасфальтированная, мягкая или неровная поверхность
• Вам предстоит подниматься по склонам с уклоном более 20°
• Вам предстоит преодолеть препятствия высотой более 80 мм
• Соотношение полезной нагрузки к весу робота должно быть высоким (0,5:1 или выше)
• Износ пола в помещении не представляет проблемы (или вы используете устройство в помещении только для коротких перемещений)

Не следует выбирать гусеничный привод в следующих случаях:

• Вашей основной рабочей поверхностью является готовый пол в помещении
• Вам требуется точность позиционирования лучше, чем ±10 мм
• Вам нужна скорость движения свыше 1,5 м/с
• Срок службы аккумулятора и энергоэффективность являются ключевыми эксплуатационными ограничениями
• Вы осуществляете развертывание в больших масштабах и хотите избежать затрат на замену рельсов в качестве постоянных расходов на техническое обслуживание

Сравнение систем привода мобильных роботов по критериям принятия решений

Грузоподъемность

Дифференциал с приводом на 2 колеса:     ████████░░░░░░░░░░   До 500 кг
Погрузчик с полным приводом и поворотной платформой: ██████████████░░░░   До 2 000 кг
Полный привод с 4WS: ██████████████████   До 6 500+ кг
Гусеничный: ████████████░░░░░░   До 2 000+ кг
 (но с отличным соотношением полезной нагрузки к весу)

Точность позиционирования (чем ниже, тем лучше)

Разница между ±10 мм и ±2 мм может показаться незначительной. Однако в условиях производства это разница между роботом, который надежно стыкуется в 99,51 TP3T случаев, и роботом, требующим ручного вмешательства несколько раз за смену.

Совместимость с поверхностью пола

Структура затрат в течение 5-летнего жизненного цикла

Это оценки порядка величины для одного робота, работающего одну смену в день. Работа в режиме 24/7 с тремя сменами увеличивает расходы на расходные материалы и техническое обслуживание примерно в 2,5–3 раза. При использовании парка из 10 роботов эти расходы увеличиваются в 10 раз, однако при этом наблюдается некоторая экономия за счёт эффекта масштаба в отношении запасов запасных частей и рабочего времени технических специалистов.

Как выбрать подходящую приводную систему AMR?

Выбор системы привода сводится к пяти вопросам. Ответьте на них по порядку.

Вопрос 1: Где будет работать робот?

• Гладкие полы в помещениях (эпоксидные, полированный бетон): 2WD, 4WD или 4WS — все эти варианты подходят. 2WD — это наиболее экономичный вариант для начала.
• Неровные полы в помещениях (незащищенный бетон, трещины, швы): 4WD или 4WS. При 2WD автомобиль теряет сцепление с дорогой и начинает заносить.
• Открытые, неасфальтированные, мягкие или наклонные поверхности: Гусеничные. Колесные конфигурации не обеспечат надёжную работу.
• Смешанный режим (в помещении и на улице): 4WS (с пневматическими шинами) или гусеничный, в зависимости от допуска на отделку пола в помещении.

Вопрос 2: Какова ваша максимальная грузоподъёмность?

• < 500 кг: Дифференциал с приводом на две оси является достаточным и наиболее экономичным вариантом.
• 500–1 000 кг: Мини-погрузчик с полным приводом (4WD) или 4WS. Двухколесный привод (2WD) достиг предела своих возможностей.
• 1 000–2 000 кг: 4WS — это стандартный вариант. При выборе двигателя соответствующей мощности возможна реализация полного привода (4WD).
• > 2 000 кг: 4WS — единственная практичная колесная архитектура. Гусеничный вариант подходит только в том случае, если этого требует поверхность.

Вопрос 3: Какая точность позиционирования вам требуется?

• ±10 мм или более: Дифференциал с приводом на две оси вполне достаточен. (Типично для комплектования заказов по принципу «товар к человеку» и транспортировки из зоны в зону.)
• ±5–10 мм: 4WD или 4WS. (Обычно используется для сопряжения с конвейером, захвата поддонов.)
• ±2–5 мм: 4WS — единственная архитектура, которая позволяет надежно достичь этой цели. (Типично для стыковки на производственной линии, прецизионной сборки, работы с полупроводниками.)

Вопрос 4: Насколько ограничено ваше пространство?

• Широкие проходы (>3 м), простые маршруты: Дифференциал с приводом на две оси. Для поворота на месте достаточно использования дифференциального рулевого управления.
• Узкие проходы (2–3 м): 4WD или 4WS. Система 4WS с режимом «краб» обеспечивает максимальную гибкость.
• Очень узкие проходы (<2 м), маневрирование в ограниченном пространстве: 4WS. Перемещение «крабом» — единственный способ пришвартоваться боком в ограниченном пространстве.
• На открытом воздухе, на открытой местности: Гусеничный или полный привод. Ограничения по занимаемому пространству не столь важны; на первый план выходит проходимость по пересеченной местности.

Вопрос 5: Каков ваш бюджет?

• Минимизация удельной себестоимости при масштабном внедрении: Дифференциал с приводом на две оси.
• Небольшая надбавка за расширенные возможности: Мини-погрузчик с полным приводом и поворотной платформой.
• Ориентация на производительность, при этом себестоимость единицы продукции имеет второстепенное значение: 4WS.
• Проходимость по любой поверхности в помещении: Отслежено.

Матрица принятия решений

Стандарты безопасности и их влияние на проектирование приводных систем AMR

Система привода напрямую влияет на функциональную безопасность. Стандарты безопасности не предписывают, какую именно архитектуру привода следует использовать. Тем не менее именно архитектура определяет, как реализуются функции безопасности — и сколько это будет стоить.

ISO 3691-4: Беспилотные промышленные погрузчики

ISO 3691-4:2023 регулирует вопросы безопасности беспилотных промышленных транспортных средств (автоматизированных транспортных средств с системой наведения и автономных мобильных роботов в промышленных условиях). Основные требования, влияющие на конструкцию системы привода:

1. Система безопасного отключения крутящего момента (STO)

Каждый приводной двигатель должен поддерживать функцию STO — возможность отключения выходного крутящего момента при сохранении электрической связи с механизмом. Обычно это реализуется с помощью драйвера двигателя (входы STO на сервоприводе). В роботе с приводом на две оси (2WD) требуется два канала STO. В роботе с приводом на четыре оси (4WS) требуется восемь (четыре тяговых + четыре рулевых).

2. Тормозные характеристики

Робот должен остановиться на заданном расстоянии при максимальной нагрузке и максимальной скорости. Тормозная система (электромагнитные удерживающие тормоза на двигателях, а также любые механические тормоза) должна быть рассчитана на самый неблагоприятный случай. Роботу с полным приводом (4WS), перемещающему 2 000 кг со скоростью 2,0 м/с, требуется значительно больший тормозной момент, чем роботу с приводом на две оси (2WD), перемещающему 250 кг со скоростью 1,5 м/с.

3. Стабильность

Робот не должен опрокидываться при заданных углах наклона, скорости и нагрузке. При расчете устойчивости учитываются центр тяжести приводной системы, ширина колесной базы и геометрия подвески. Гусеничные роботы обладают врождённым преимуществом в плане устойчивости благодаря широкой опорной поверхности и низкому центру тяжести.

4. Контроль скорости

Контроллер безопасности должен самостоятельно отслеживать скорость робота и инициировать защитную остановку в случае превышения заданного предела. Для этого требуются резервированные датчики скорости — как правило, энкодеры двигателя в сочетании с независимым датчиком (радар, второй энкодер или внешняя измерительная система).

ANSI/RIA R15.08: Безопасность промышленных мобильных роботов

ANSI/RIA R15.08 — это американский стандарт безопасности промышленных мобильных роботов. В соответствии с ним роботы подразделяются на тип A (автономные мобильные роботы без манипулятора), тип B (автономные мобильные роботы с манипулятором) и тип C (мобильные манипуляторы, выполняющие задачи в нескольких точках). Последствия для системы привода:

1. Заявки типа A (AMR, предназначенные исключительно для транспортировки)

Любая архитектура привода может соответствовать этим требованиям. Основная нагрузка по обеспечению безопасности ложится на системы навигации и обнаружения препятствий.

2. Заявки типа B/C (системы автоматического перемещения с конвейерами и манипуляторами)

Точность стыковки становится вопросом безопасности — если робот не выполнит стыковку точно, это может привести к сбою в работе манипулятора или конвейерного интерфейса, что создаст угрозу безопасности. В случае жестких допусков на стыковку это стимулирует переход к использованию 4WS.

Затраты на обеспечение функциональной безопасности в зависимости от архитектуры

Количество двигателей напрямую определяет количество каналов STO, осей с контролем безопасной скорости и интерфейсов энкодеров, сертифицированных для использования в системах безопасности. В общих чертах:

• 2WD: 2 канала STO, 2 оси с режимом безопасной скорости. Минимальная стоимость компонентов системы безопасности.
• Полный привод: 4 канала STO, 4 оси с режимом безопасной скорости. Умеренная стоимость компонентов системы безопасности.
• 4WS: 8 каналов STO (4 — приводные + 4 — рулевые), 8 осей с ограничением скорости. Наивысшая стоимость компонентов системы безопасности. Абсолютные энкодеры с сертификатом безопасности на рулевых осях увеличивают стоимость на $200–$500 на каждое колесо.
• Отслеживается: 2 канала STO, 2 оси с ограничением скорости. Аналогично системе 2WD, однако из-за инерции робота при движении по любой местности может потребоваться более мощная механическая тормозная система.

Эти затраты нельзя назвать незначительными. В случае робота с 4WS только стоимость аппаратных средств функциональной безопасности — приводов с защитой от сбоев, ПЛК безопасности, датчиков положения и датчиков безопасности — может превысить стоимость комплекта деталей (BOM) полной системы привода с 2WD. Мы не раз сталкивались с тем, что интеграторы выбирают 4WS для задач, с которыми робот с приводом 2WD мог бы справиться при условии небольшого ремонта пола и более широкого прохода. Это не инженерный подход — это трата денег, которую можно было бы избежать. Когда задача действительно требует возможностей 4WS, стоимость компонентов системы безопасности является необходимой статьёй расходов. Когда же это не так, это аргумент в пользу простоты.

Вывод: подберите систему привода мобильного робота с учетом особенностей вашей эксплуатации

После более чем 3 000 слов, посвященных сравнению четырёх архитектур приводов по дюжине критериев, вывод заключается не в том, что какая-то одна система является лучшей. Вывод заключается в том, что выбор системы привода — это процесс подбора, при котором необходимо сопоставить ваши эксплуатационные требования с сильными и слабыми сторонами каждой архитектуры.

Большинство проектов по автоматизации складов следует начинать с оценки системы дифференциального привода 2WD. Это самый простой, экономичный и энергоэффективный вариант, который подходит для большинства логистических задач в помещениях. Переходить к более сложным решениям следует только в том случае, если этого требуют конкретные эксплуатационные требования.

Полный привод (4WD) — это логичный первый шаг к улучшению характеристик: большая грузоподъёмность, лучшее сцепление с дорогой и немного более высокая стоимость. Система 4WS лидирует по точности и грузоподъёмности, а её более высокая стоимость оправдана в тех случаях, когда строго требуется стыковка с точностью ±2 мм или всенаправленное перемещение в ограниченном пространстве. Гусеничный привод — специалист по работе на открытом воздухе: он незаменим на пересечённой местности, но не подходит для готовых напольных покрытий в помещениях.

Самая дорогостоящая ошибка — это не выбор неподходящей архитектуры, а выбор архитектуры с избыточными характеристиками для приложения, которое в этом не нуждается. Парк из 20 автономных мобильных роботов (AMR) с системами привода 4WS на складе с широкими проходами, ровными полами и допуском на стыковку ±10 мм — это $300,000–$500 000, которые лучше было бы направить на вторую смену роботов с приводом 2WD, на более совершенные конечные эффекторы или на расширение мезонина. Подбирайте систему привода в соответствии с требованиями, а не с техническим паспортом.

Готовы подобрать систему привода для вашего мобильного робота?

Свяжитесь с инженерной командой Fdata чтобы обсудить ваши требования к полезной нагрузке, высоте пола, точности и бюджету. Мы изготавливаем на заказ шасси мобильного робота с конфигурациями 2WD, 4WD, 4WS и гусеничным приводом для промышленных применений в сфере B2B по всему миру.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ