Robotyka nieustannie nas zadziwia, a jednym z ostatnich jej osiągnięć jest stworzenie robota jednokołowego. To urządzenie, zainspirowane motocyklem, skrywa w swoim wnętrzu wszystkie niezbędne elementy: silnik, czujniki, system zasilania i sterowania. Głównym wyzwaniem, które należało pokonać podczas jego projektowania, było zapewnienie stabilności zarówno w stanie spoczynku, jak i podczas ruchu.
Proces projektowania
Proces tworzenia robota jednokołowego obejmuje kilka kluczowych etapów. Zaczyna się od opracowania modelu teoretycznego, przez projektowanie struktury mechanicznej, aż po symulację, budowę prototypu i jego testowanie. Jednym z najważniejszych elementów jest rozwinięta strategia kontrolna, zaprojektowana i udoskonalana na etapie symulacji, a następnie skutecznie zaimplementowana w gotowym modelu. Głównym wyzwaniem był problem samostabilizacji.
Robot składa się z kilku kluczowych komponentów, w tym dużego koła z oponą, wewnętrzną przekładnią i mechanizmem balansującym. Cała elektronika, w tym bateria i system sterowania, umieszczona jest wewnątrz tej struktury, a złożona jest głównie z elementów wykorzystywanych w modelach zdalnie sterowanych, takich jak wysokoprędkościowy silnik bezszczotkowy DC i zaawansowany mikrokontroler ARM CortexM3.
Zanim przystąpiono do budowy prototypu, przeprowadzono dokładną symulację, wykorzystując Matlab (program komputerowy będący interaktywnym środowiskiem do wykonywania obliczeń naukowych i inżynierskich) oraz bardziej złożone narzędzia symulacyjne. Pozwoliło to na sprawdzenie poprawności projektu i dopasowanie modelu teoretycznego do rzeczywistej struktury.
Innowacja w kołach: klucz do stabilności
Ciekawym aspektem konstrukcji robota jest zastosowanie dwóch kół umieszczonych bardzo blisko siebie, co technicznie odbiega od klasycznego jednokołowca. Dzięki temu rozwiązaniu, maszyna może zachować równowagę bez przechyłów na boki. Ponadto, zastosowanie różnicowej prędkości obrotu (układ kół zębatych) umożliwia łatwe sterowanie. Robot może nawet obracać się w miejscu, gdy koła obracają się w przeciwnych kierunkach.
Największą innowacją są jednak koła typu pedrail (gąsiennica), które są dość nietypowe, gdyż zyskały serię ślizgających się nóg rozmieszczonych promieniście z obrotowymi stopami. Koła te obracają się jak zwykłe, ale zawsze kilka „odnóg” pozostaje w kontakcie z ziemią, co ułatwia pokonywanie przeszkód, takich jak schody, oraz pozwala na pozostanie w miejscu bez toczącego się ruchu.
Warto dodać, że twórca wykorzystał druk 3D do wytworzenia niemal wszystkich mechanicznych części wynalazku, włącznie z nogami i stopami. Jedynymi elementami niewydrukowanymi są elementy złączne i łożyska. Unikalny system napędowy robota sprawia, że jego elektronika jest stosunkowo prosta – nie wymaga jednostki pomiaru inercji (IMU), żyroskopu ani akcelerometru. Napędzany jest przez dwa silniki prądu stałego, a kontrolę nad nimi sprawuje płyta rozwojowa Teensy 3.2, odbierająca sygnały z uniwersalnego pilota przez odbiorniki OrangeRX DSM.
Testy robota wykazały, że koncepcja działa całkiem dobrze. Robot porusza się łatwo i może pozostać nieruchomy bez aktywnego balansowania. Jest również zdolny do pokonywania małych przeszkód, chociaż jego konstrukcja sprawia, że jest nieco niestabilny na nierównym terenie. Rozszerzenie odległości między kołami mogłoby rozwiązać ten problem, ale wtedy trudniej byłoby zaliczyć go do kategorii jednokołowych.
