Podvozky pro robotická auta: Porovnání a technické řešení

Volba správného podvozku a pohonného systému je klíčová pro funkčnost každého robotického vozítka. Pro domácí a školní projekty, kde se často pracuje se stavebnicemi (Lego, Merkur, 3D tisk), je důležité najít rovnováhu mezi jednoduchostí konstrukce, cenou a manévrovatelností.

Pohon zadní nápravy jedním motorem

Tento přístup je nejjednodušší a nejlevnější pro roboty, které se pohybují převážně po rovném povrchu a nevyžadují složité zatáčení.

Bez diferenciálu (Pevná náprava)

• Princip: Jediný motor pohání zadní nápravu. Obě kola jsou na nápravě pevně spojena.
• Použití: Ideální pro malé, jednoduché robory, které jezdí rovně.
• Nevýhody:
  • Problém při zatáčení: Při zatáčení musí vnější kolo urazit delší dráhu než vnitřní. Protože jsou kola pevně spojená, vnitřní kolo prokluzuje (smýká se), což klade velký odpor, namáhá motor a snižuje přesnost navigace.
  • Zvýšené opotřebení: Zvláště na površích s vyšším třením (koberec) dochází k velkému tření kol.
• Kdy dává smysl: Když je vozítko velmi malé a lehké, motor slabý, nebo když se pohybuje téměř výhradně po hladkém, kluzkém povrchu (kde je prokluz minimální) nebo po velmi volném povrchu (štěrk, písek). Pro základní školní projekty je to nejrychlejší řešení.

S diferenciálem

• Princip: Diferenciál rozděluje točivý moment z jednoho motoru na obě kola, ale zároveň umožňuje, aby se každé kolo otáčelo nezávisle různou rychlostí.
• Výhody:
  • Efektivní zatáčení: Kola se mohou při zatáčení otáčet různými rychlostmi, což eliminuje prokluz, snižuje odpor a šetří energii.
  • Přesnější navigace: Robot lépe drží dráhu a snadněji počítá ujetou vzdálenost (odometrie).
• Nevýhody:
  • Složitost a hmotnost: Diferenciál je mechanicky složitý, přidává hmotnost a zvyšuje náročnost stavby, zvláště u DIY projektů nebo při tisku na 3D tiskárně.
  • Nevhodné pro malé roboty: U malých vozítek (např. o šířce pod 15 cm) může být efekt diferenciálu zanedbatelný a jeho implementace se nevyplatí.

Řízení směru (Zatáčení)

Existují dvě hlavní metody, jak robotické auto řídit.

Řízení pomocí servomotoru (Klasický podvozek – Akermanova geometrie)

• Princip: Podobný jako u skutečného auta. Jeden nebo dva motory pohání zadní nápravu a servomotor ovládá úhel natočení kol na přední nápravě.
• Podvozky:
  • 4 kola – Pohon zadní: Nejběžnější a mechanicky nejjednodušší. Motory na zadní nápravě tlačí, servo řídí přední.
  • 4 kola – Pohon přední: Méně časté, ale motor je blíže k řídicí jednotce. Může být mírně hůře ovladatelný ve smyku.
• Výhody:
  • Přirozené řízení: Vozítko se řídí velmi realisticky, což je ideální pro dálkové ovládání.
  • Přesnost: Servo motor umožňuje velmi přesné a konzistentní úhly zatáčení.
• Nevýhody:
  • Složitá mechanika vpředu: Nutnost navrhnout a postavit komplexní řídicí mechanismus (čepy, táhla, páky).
  • Pomalejší zatáčení: Servo motor je obvykle pomalejší než dynamická změna otáček kol.

Řízení pomocí dvou motorů (Diferenciální řízení)

• Princip: Každé kolo na levé straně je poháněno nezávisle na kolech na pravé straně. Zatáčení se provádí změnou rychlosti otáčení mezi levou a pravou stranou.
  • Příklad: Pro zatáčení doleva se levé kolo zpomalí nebo se točí opačně než pravé.

• Výhody:

  • Jednoduchá mechanika: Nejsou potřeba žádné složité řídicí mechanismy (čepy, táhla) ani servo motor.
  • Otočení na místě (Pivot turn): Schopnost otočit se na místě (když se levá a pravá kola točí stejnou rychlostí, ale opačným směrem), což dává skvělou manévrovatelnost v omezeném prostoru.
  • Robustnost: Méně mechanických součástí = menší pravděpodobnost poruchy.

• Nevýhody:

  • Nutnost dvou přesných motorů: Pro správné řízení je potřeba, aby motory měly co nejpodobnější otáčky a točivý moment.
  • Složitější programování: Vyžaduje komplexnější řídicí algoritmy (PWM) pro přesnou kontrolu otáček každého motoru.

Porovnání různých konfigurací (Diferenciální řízení)

Diferenciální řízení je u domácí robotiky velmi populární díky své jednoduchosti a manévrovatelnosti. Zde jsou klíčové konfigurace s koly (pneumatikami):

Tříkolový podvozek (Trojúhelník)

• Konfigurace: Dvě hnací kola na jedné ose (ovládaná motory), a třetí, volně otočné (caster) kolo nebo kulička (ball caster) umístěné ve středu na opačné straně.
• Výhody:
  • Vysoká manévrovatelnost: Díky minimu třecích bodů se snadno otáčí.
  • Nízká hmotnost a jednoduchost: Ideální pro začátečníky.
• Nevýhody:
  • Menší stabilita: Méně stabilní než čtyřkolový podvozek, obzvláště při vysoké rychlosti nebo na nerovném terénu. Těžiště musí být umístěno v trojúhelníku tvořeném koly.

Čtyřkolový podvozek – Pohon zadních kol (4x2, Zadní pohon)

• Konfigurace: Dvě zadní kola jsou hnací (každé s vlastním motorem), dvě přední kola jsou volně otočná (nebo pevná, ale nehnaná).
• Výhody:
  • Stabilita: Velmi stabilní, zvláště s těžším akumulátorem nebo elektronikou vzadu.
  • Dobrá trakce: Hnací kola vzadu tlačí.
• Nevýhody:
  • Přední kola mohou při otočení na místě klást velký odpor (musí prokluzovat do strany), což zvyšuje nároky na sílu motorů.

Čtyřkolový podvozek – Pohon předních kol (4x2, Přední pohon)

• Konfigurace: Dvě přední kola jsou hnací (každé s vlastním motorem), dvě zadní kola jsou volně otočná.
• Výhody:
  • Kompaktní design: Celý pohonný systém je vpředu.
• Nevýhody:
  • Horší trakce: Při akceleraci se těžiště přenáší dozadu, což odlehčuje hnací přední kola.
  • Větší odpor: Zadní kola při otáčení na místě kladou odpor, podobně jako u zadního pohonu.

Čtyřkolový podvozek – Pohon všech kol (4x4) pomocí čtyř motorů

• Konfigurace: Každé ze čtyř kol je poháněno nezávislým motorem. Všechny čtyři motory jsou řízeny diferenciálně – to znamená, že rychlost motorů na levé straně se mění nezávisle na rychlosti motorů na pravé straně. Motory na jedné straně (např. přední a zadní levé) by se obvykle měly točit stejnou rychlostí.

• Výhody:

  • Maximální trakce a síla: Robot má obrovskou přilnavost a je schopen překonat větší překážky nebo nerovný terén (ideální pro off-road robotiku nebo soutěže robot sumo). Čtyřnásobná síla motorů zajišťuje vysoký točivý moment.
  • Redundance: Selhání jednoho motoru nebo driveru neochromí robota zcela.
  • Precizní kontrola: Softwarový "virtuální diferenciál" umožňuje jemné doladění otáček každého kola pro optimální průjezd zatáčkou a minimalizaci prokluzu (pokud je systém vybaven enkodéry).
• Nevýhody:
  • Nejvyšší náklady a složitost: Vyžaduje čtyři motory, čtyři motorové drivery a čtyři napájecí větve, což výrazně zvyšuje cenu a spotřebu energie.
  • Složitá kalibrace a programování: Zajištění, aby se všechny čtyři motory chovaly identicky a řídicí systém správně synchronizoval otáčky pro každé kolo.
  • Odpor při otáčení na místě: I když má robot velkou sílu, při otáčení na místě (kde se kola točí opačným směrem) stále dochází k výraznému bočnímu prokluzu všech čtyř kol, což klade velký odpor, namáhá motory a vede k mírnému "škubání" pohybu.

Kdy dává smysl pro DIY: Když je prioritou vysoký výkon v terénu, velká nosnost nebo potřeba agresivního stoupání (např. u malých inspekčních robotů nebo robotů, které potřebují tlačit). Pro jednoduché testování na stole je to zbytečný přepych.

Shrnutí a doporučení pro DIY projekty

Doporučení:

1. Pro začátečníky a jednoduché úkoly: Jděte do Diferenciálního řízení s tříkolovým (caster) podvozkem. Je to nejjednodušší na stavbu a programování a má výbornou manévrovatelnost.
2. Pro vyšší rychlost a stabilitu: Vyberte Diferenciální řízení se čtyřkolovým (zadní pohon). Vyžaduje silnější motory.
3. Pro realistické ovládání (dálkové, autíčko): Použijte Servo řízení. Je to sice náročnější na mechaniku, ale dává nejpřirozenější jízdní vlastnosti.
4. Diferenciál u jednoho motoru: Vyplatí se jen u větších, těžších robotů nebo tam, kde je kritická přesnost odometrie na drsném povrchu. Pro malé roboty na hladkém povrchu je to zbytečná složitost.