Podręcznik

W punkcie 1.1. wyjaśniono, jaką rolę pełni platforma zrobotyzowana w podwoziu mobilnym (pojeździe specjalistycznym). Dalej, na przykładzie robota mobilnego z rysunku 6 zasygnalizowano również, jakie elementy oraz urządzenia funkcjonalne mechatroniczne powinny być posadowione na takim podwoziu. 
Generalnie należy stwierdzić, iż kompletny pojazd mobilny, np. poruszający się na sześciu kołach pneumatycznych robot wielozadaniowy, którego przykładową postać zilustrowano na rysunku 5, powinien składać się z nadwozia, czyli rodzaju konstrukcji, na której posadawia się elementy oraz urządzenia mechatroniczne, stanowiące o wielozadaniowości tego pojazdu jako całości, oraz składa się z podwozia zrobotyzowanego, którego zadaniem jest przemieszczanie tego nadwozia w jego środowisku pracy. Przykładowo, w nadwoziu robota mogą znajdować się zamontowane ruchome wysięgniki, manipulatory, chwytaki czy odpowiednie systemy czujników dla zapewnienia dobrej orientacji pojazdu mobilnego w terenie, zaś w podwoziu robota mogą być zamontowane elementy i urządzenia mechatroniczne, które mogą pozwalać na pożądane tzw. wszędołaztwo tego pojazdu w terenie. Pokazane wcześniej na rysunku 3 dodatkowe gąsienice w pojeździe Inspector (dla uniesienia nad schody podwozia robota) czy obrotowa oś przednia w pojeździe Irbis (rysunek 5) stanowią tylko wybrane przykłady takich rozwiązań dla podwozi zrobotyzowanych.
Pomimo faktu, iż jak zapewne zauważył Czytelnik, wcześniej użyte przez autora nazewnictwo, dotyczące nadwozi i podwozi pojazdów mobilnych jest „żywcem” wyjęte z zagadnień rozwoju motoryzacji, to będzie ono obowiązywało również przy omawianiu niektórych zagadnień, związanych z podwoziami zrobotyzowanymi, co zwyczajowo zaliczylibyśmy stricte do robotyki. Nie można było tego w bieżącym tekście uniknąć, ponieważ niektóre pojęcia, dotyczące ogólnie podwozi zrobotyzowanych są wspólne zarówno dla podwozi samochodowych jak i podwozi zrobotyzowanych, omawianych w niniejszej publikacji. Po prostu nazwa podwozie rozumiana będzie zawsze jako podwozie pojazdu rozumianego jako samochód, przyczepa czy naczepa, a w tekście jako podwozie zrobotyzowane robota mobilnego. Oddzielne nazewnictwo nie istnieje. 
Należy podkreślić, że wykorzystanie dodatkowych elementów i urządzeń mechatronicznych w podwoziach zrobotyzowanych dotyczy nie tylko tzw. podwozi napędowych, czyli takich, których wszystkie lub wybrane koła podwozia (lub gąsienice) posiadają napęd elektryczny lub hydrauliczny, ale dotyczy również i podwozi zrobotyzowanych w różny sposób holowanych przez te pierwsze. Do tych podwozi holowanych zaliczyć musimy z kolei przyczepy lub naczepy wieloosiowe, które posadowione są na kołach pneumatycznych, jak również różnego rodzaju ciągnione wózki. Pomimo faktu, iż na pierwszy rzut oka od tych ostatnich wymienionych podwozi nie oczekiwalibyśmy zrobotyzowania w takim stopniu jak tych pierwszych, to jednak jak pokazuje praktyka, od ich podwozi też można oczekiwać rozwiązań, które mogą poprawić dzielność tychże w terenie. 
Zilustrowanie rodzajów podwozi zrobotyzowanych w pojazdach cywilnych oraz wojskowych należy rozpocząć od podania ich podstawowego podziału, który na przestrzeni lat ustalił się następująco w odniesieniu do podwozi kołowych:
   1. Podwozia zrobotyzowane trzykołowe z biernym lub aktywnym trzecim kołem – porównaj rysunek 6.
   2. Podwozia zrobotyzowane czterokołowe – porównaj rysunek 4.
   3. Podwozia zrobotyzowane wielokołowe – porównaj rysunek 5.
Ad.1. W przypadku podwozia z biernym trzecim kołem dwa silniki napędowe napędzają niezależnie od siebie dwa koła jednej osi podwozia. Spełniają zatem zadanie jazdy podwozia do przodu/tyłu oraz jego zamierzonego skrętu z wykorzystaniem tzw. systemu czołgowego. Trzecie koło podwozia (nie napędzane), umieszczane przed lub za osią dwóch kół napędzanych, stanowi podporę dla podwozia i nie posiada wpływu na kierunek jazdy podwozia. W przypadku podwozia z aktywnym trzecim kołem zazwyczaj jeden silnik napędowy napędza dwa koła jednej osi podwozia. Spełnia on zatem jedynie zadanie jazdy podwozia do przodu/tyłu. Trzecie koło podwozia (teraz już napędzane), umieszczane przed lub za osią dwóch kół napędzanych jednym silnikiem, nie stanowi już jedynie podpory dla podwozia, tylko posiada wpływ na kierunek jego jazdy. Przy tym rozwiązaniu spotykane są podwozia zrobotyzowane, które posiadają jedynie trzecie koło napędzane odpowiednim silnikiem.
Ad.2. W przypadku podwozi czterokołowych podział ich jest szerszy i uzależniony od sposobu napędzania kół podwozia oraz sposobu jego skrętu. Zatem wśród tych podwozi spotykamy takie, w których napędzana jest tylko przednia oś, tylko tylna oś lub obie osie kół naraz. Jeżeli chodzi o realizację zmiany kierunku jazdy podwozia, to stosowany jest tzw. system Ackermana, polegający na zróżnicowaniu kąta skrętu obu skręcanych kół najczęściej poprzez zastosowanie konstrukcji trapezowej oraz stosowany jest system czołgowy, w którym realizacja skrętu podwozia odbywa się poprzez napędzanie jedynie kół położonych po jednej stronie podwozia.          

Rysunek 7 pokazuje schematycznie sposób wykorzystania systemu kompensacji Ackermana przy obliczaniu odległości, związanych z konstrukcją optymalnego układu skręcania kół jednej osi podwozia zrobotyzowanego. [Źródło: https://autoturn.net.pl/wsparcie-autoturn/s%C5%82owniczek/45-zasada-ackermana.html].

Rysunek 7: Wykorzystanie systemu kompensacji Ackermana

System kompensacji Ackermana opisuje się następującą zależnością:
$ctg\left(\propto\right)=ctg\left(\beta\right)=\dfrac{a}{L}$
gdzie: $\alpha$ i $\beta$ - kąty pomiędzy osiami obrotu kół kierowanych a osią kół tylnych;
    a – odległość środków sworzni zwrotnic;
    L – rozstaw osi podwozia. 
Ad.3. W przypadku podwozi wielokołowych, które możemy częściowo utożsamić z podwoziem czterokołowym, wśród tychże spotykamy takie, w których napędzana jest tylko przednia oś podwozia, tylko tylna oś podwozia lub wszystkie osie kół naraz. Przy konwencjonalnej budowie osiowej podwozia zmiana kierunku jazdy może być realizowana poprzez system Ackermana lub poprzez system czołgowy. Oparcie konstrukcji podwozia o tzw. bez-osiowy system Synchro-Drive, już samo w sobie jest metodą zmiany kierunku ruchu podwozia, bowiem w tym systemie każde koło osadzone jest we własnej osi i połączone wspólnym pasem sterującym (napędowym), który skręca synchronicznie wszystkimi kołami podwozia naraz. Rysunek 8 ilustruje schematycznie rozwiązanie systemu Sychro-Drive do realizacji napędu oraz skrętu kół w podwoziu zrobotyzowanym wielokołowym.

Rysunek 8: System Sychro-Drive w realizacji napędu oraz skrętu kół podwozia zrobotyzowanego: a) widok z góry na płaszczyznę podwozia; b) schemat przekładni 

Ruch pasa napędzającego osie sterujące skrętem sześciu kół za pośrednictwem kół pasowych (rysunek 8a)), wymuszony poprzez silnik sterujący powoduje synchroniczny obrót wszystkich osi o określony kąt, co realizuje zmianę kierunku jazdy podwozia zrobotyzowanego. Powiązane jest to z wymuszanie obrotu osi napędzających koła podwozia (z wykorzystaniem innego silnika, czego nie uwidoczniono na rysunku z powodu zachowania jego przejrzystości), co powoduje obrót kół po powierzchni, po której porusza się podwozie (rysunek 8b).
Opracowane techniki napędu oraz skrętu kół podwozia, które od lat wykorzystywane były w różnych podwoziach kołowych musiały ulec ewaluacji z wielu powodów. Alternatywnie lub łącznie stało się to z powodu zmniejszania wymiarów samych podwozi zrobotyzowanych, innego zagospodarowania miejsca na podwoziu dla różnych urządzeń mechatronicznych, opracowania koncepcji pojazdów mobilnych bezzałogowych albo większej uniwersalności w sterowaniu poruszaniem się podwozia po trudnym terenie. Zrozumiano, że w mniejszej przestrzeni zabudowy, która teraz stała się normą dla podwozia zrobotyzowanego, wygodniej jest zastosować nowocześniejsze rozwiązania (czytaj: mechatroniczne), niż te znane do tej pory. Odnosząc powyższe np. do sterowania kołami podwozia wielokołowego, zilustrowanego na rysunku 8, można zaproponować sterowanie napędem oraz skrętem kół systemu Synchro-Drive za pomocą zsynchronizowanych ze sobą silników elektrycznych, np. krokowych, niż wykorzystać znane rozwiązanie oparte o wykorzystanie pasa napędowego. Koncepcję wykorzystania silników elektrycznych zamiast pasa napędowego zilustrowano na rysunku 9. 
Silnik nr 1 napędzający koło (a w zasadzie wszystkie sześć kół podwozia zrobotyzowanego) podwozia powoduje zamierzony ruch pojazdu po terenie. W przypadku zamiaru zmiany kierunku ruchu pojazdu mobilnego uaktywniany jest silnik nr 2 (innych sześć silników), co realizuje to zadanie. Sugerowane wykorzystanie silników krokowych jako silniki nr 1 (sterujące ruchem kół podwozia) i nr 2 (sterujące skrętem tych kół), przy zachowaniu nie większych niż znamionowe warunków obciążenia silników i ich sterowania, czyli nieprzekroczenia częstotliwości maksymalnej taktowania silników powoduje, że nie zachodzi potrzeba zabudowy na takim podwoziu układów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, co upraszcza stronę elektryczną sterowania silników.    

Rysunek 9: Koncepcja sterowania elektrycznego ruchem oraz skrętem koła podwozia zrobotyzowanego dla systemu Synchro-Drive

Podobnie postąpiono z wykorzystaniem silników elektrycznych do napędu kół podwozi zrobotyzowanych zamiast tradycyjnych układów napędowych, np. za pomocą tzw. mostów napędowych i skrzyń rozdzielczych. Rysunek 10 pokazuje wzmiankowane dwie koncepcje sterowania kołami napędzanymi podwozia zrobotyzowanego. 

Rysunek 10: Koncepcje sterowania kołami podwozia zrobotyzowanego: a) „stara”; „nowa”

Na rysunku 10a) w „starej” koncepcji budowy podwozia mobilnego koła 6 napędzane są za pośrednictwem półosi napędowych 1 poprzez wały napędowe 2 z przegubami 5, mechanizmy różnicowe 3 oraz skrzynkę rozdzielczą 4. Półoś napędowa 1 oraz mechanizm różnicowy 3 są elementami składowymi tzw. mostu napędowego, który stanowi sztywny element podwozia, zamocowany do ramy podwozia 7 (na rysunku tylko szczątkowo pokazanej) pośrednio, z wykorzystaniem resorów, najczęściej piórowych lub bezpośrednio poprzez przykręcenie rury mostu do ramy podwozia (wtedy nie mówimy o resorowaniu kół). To ostatnie rozwiązanie mocowania mostów jest najczęściej wykorzystywane przy konstrukcji podwozia np. dla robota mobilnego bezzałogowego z racji zaniechania eliminacji wstrząsów, pochodzących od ruchu pojazdu jako zbyteczne.
W „nowej” koncepcji budowy podwozia mobilnego, uwidocznionej na rysunku 10b), zamiast mostów napędowych wykorzystano niezależne sterowanie każdego koła podwozia dla jego ruchu przy pomocą oddzielnych silników elektrycznych 8, zaś skręt kół osi przedniej zaproponowano w sposób analogiczny jak na rysunku 9 – za pośrednictwem dwóch silników sterujących skrętem kół 9. Ten typ budowy podwozia obowiązuje obecnie w budowie wszelkiego rodzaju podwozi zrobotyzowanych o kołach pneumatycznych dla pojazdów mobilnych, zwłaszcza bezzałogowych.