Getting Start with Mobile Robot
What is Mobile Robot ?
Mobile Robot คือหุ่นยนต์ที่สามารถเคลื่อนที่ได้โดยการใช้ ล้อหรือขา ซึ่งภายในหุ่นยนต์ประเภทนี้จะประกอบด้วย Mobile Platform , Sensors เเละ Computational System
Locomotion Platform
Chassis : หรือฐานที่ใช้ในการเคลื่อนที่ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้ผ่าน ล้อ ขา หรืออื่นๆเช่น ใบพัดของโดรน , ลูกบอล เป็นต้น
- Static Stability
Static Stability หรือ เสถียรภาพตอนหยุดนิ่งนั้น การจะคงไว้ซึ่งสถานะนี้ได้ ต้องให้จุด CG(Center Of Gravity ) ของ Chassis นั้นอยู่ภายในรูปทรงของตัว Chassis เองที่มีส่วนในการขับเคลื่อนอย่างล้อ หรือขา สัมผัสกับพื้น
*Note : จากทฤษฎีดังกล่าวทำให้ ความสูงของหุ่นมีผลกับ เสถียรภาพ กล่าวคือยิ่งหุ่นมีความูงมาก ยิ่งมีโอกาสล้มได้ง่าย หรือกรณีของ CG ที่มีทิศเลยออกจากตัวหุ่นก็สามารถทำให้หุ่นเกิดการพลิกคว่ำได้เช่นกัน
- Dynamic Stability
ตราบใดที่เราสามารถควบคุมให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้แล้วเกิดเหตุการณ์ที่ทำให้ CG มีทิศเลยออก ตัวหุ่นจะไม่ล้ม (ทฤษฎีนี้เหมาะกับสถานะของหุ่นเมื่อยามที่เคลื่อนที่ )
- ์Note : Steering/Tuning — Instantaneous Center of Rotation(ICR)หุ่นยนต์จะมี Vector การเคลื่อนที่ (ความเร็วเชิงเส้น) รอบจุดหมุนหนึ่งๆ ซึ่งเราสามารถหาความเร็วเชิงมุมที่สัมพันธ์กับความเร็วเชิงเส้น
ในกรณีที่มี 2 ล้อ จะมีลักษณะของการให้ความเร็วทีไม่เท่ากันโดยให้ความเร็วเชิงเส้นกับล้อนอกมากกว่าล้อฝั่งที่อยู่ใกล้จุด ICR ทำให้เกิดการเคลื่อนที่เเบบหมุนรอบจุดตามทฤษฎี
Wheeled Mobile Platform
- Differential Drive
Ideal : อาศัยการเปลี่ยนความเร็วในล้อซ้ายและขวาให้แตกต่างเพื่อให้เกิดการเลี้ยว และเมื่อมีความเร็วเท่ากันจะทำให้หุ่นมีทิศไปในทางเดียวกัน หรือหากเป็นความเร็วเท่าแต่ทิศต่างก็นก็จะทำให้หุ่นหมุนอยู่กับที่
*Note : อย่างน้อยใน Differential Drive ต้องมีล้อ Support เพื่อให้สามารถทรงตัวอยู่ได้ ตามหลักของ Static Stability และในชีวิตจริง Hardware ที่ใช้อาจมีคุณภาพไม่เท่ากัน เช่น มอเตอร์หรือล้อ(ลมด้านในไม่เท่ากัน)ทำให้ต้องปรับจูน เเละคำนวณ Odometry
- Skid-steer
คล้าย Differential Drive แต่เพิ่มจำนวน ล้อ โดยใช้ มอเตอร์เพื่อควบคุม ล้อ(มากกว่า 1 ล้อขึ้นไป ) :ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความสามารถในการยึดกับพื้นผิวได้ดียิ่งขึ้น เเละในที่นี้อาจเพิ่มสายพานเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นเเละความสามารถในการยึดเกาะที่มากขึ้น
- Tricycle
วิ่งตรงดีและเลี้ยวแม่นยำกว่าแบบ Differential Drive โดยจับขลับเคลื่อนโดยล้อขับและเลี้ยวที่ Steering (มี Motor บังคับให้ได้มุมที่เราต้องการ) แยก Linear Velocity และ Steer ออกจากกัน
- Ackerman Steering
รถยนต์ : ต่างจาก Tricycle Driveตรงที่จะมีกลไกในการเลี้ยวโดยใช้ ล้อคู่หน้าเป็น Steering ซึ่งมาจากการใช้ Linkage กล่าวคือใช้ Steering ที่พวงมะลัย แล้วไปเคลื่อน Linkage ทำให้เกิดการเลี้ยว และให้ความเร็วเชิงเส้นที่ล้อหลังผ่าน Motor
ข้อดีของมันคือจะมีจุด Support บนพื้นถึง4จุด มีประสิทธิภาพสามารถเคลื่อนได้เร็ว
- Articulated Drive
มี Steering ตรงกลาง Body กล่าวคือแบ่ง Body ออกเป็นสองส่วน ซึ่งมีข้อดีคือ เมื่อต้องการการเคลื่อนที่ที่ ยืดหยุ่นกับสภาพแวดล้อม
- Synchro Drive
หุ่นที่ควบคุมได้แม่นยำ โดยทุกล้อจะถูกคุมให้เคลื่อนที่ได้พร้อมกัน กล่าวคือหันล้อดให้ตรงทิศแล้วถึงวิ่ง ซึ่งสามารถวางแผนการเคลื่อนที่ได้ง่าย
- Pivot Drive
เมื่อจะเลี้ยวจะมีกลไกดันหุ่นขึ้นไปแล้วหมุนเมื่อตรงตามทิศแล้วจึงจะปล่อยหุ่นลงมาเพื่อวิ่ง
- Dual Differential Drive
ใช้กลไกทางเพื่อแยกการขับและเลี้ยวออกมาที่ gear Set
- Omni-Directional Wheel
ใช้ล้อที่ไสด์ได้จึงทำให้สามารถเคลื่อนที่ได้ทุกทิศทาง ซึ่งข้อเสียคือมันไม่สามารถไต่ข้ามสิ่งกีดขวางได้เพราะติดล้อเล็กๆด้านในต้องวางล้อให้ Symmetry กัน
How many Wheels to Choose?
1 ล้อ — ต้องทรงตัวตลอดเวลา (จอดนิ่งไม่ได้ต้องควบคุม)
2 ล้อ— ต้องทรงตัวตลอดเวลา (จอดนิ่งไม่ได้ต้องควบคุม)
3 ล้อ— จอดนิ่งได้ไม่ล้ม [Minimum ที่จะไม่ล้ม]
4 ล้อ— จอดนิ่งได้ไม่ล้ม
6 ล้อ — จอดนิ่งได้ไม่ล้ม
Types of Wheels
แบ่งตามรูปร่าง/การใช้งาน
- ล้อขับ
1.1 ล้อยางตัน
1.2 ล้อลม
2. ล้อCastor
3. ล้อ Omni (Mecanum)
4. ล้อ Ball
แบ่งตาม DOF
1.Conventional Wheel 2DOF เป็นเเบบ Fixed Wheel คือ ยึดกับ Body
- Centered Orientable Wheel — มีล้อขับ Steering อยู่กลางล้อ ล้อสามารถกลิ้งและหมุนได้
- Off-Center Orientable Wheel — ล้อ Castor หรือPassive Wheel สามารถหมุนได้จากแรงที่มากระทำ แกนการหมุนไม่ได้อยู่กลางล้อเลยไม่เอามาใช้เป็นล้อขับ
2. Omni Directional Wheel 3DOF — มีล้อเล็ก ที่สามารถกลิ้งได้อยู่ในล้อใหญ่ ทำให้เพิ่ม DOF การเคลื่อนที่ขึ้นมากล่าวคือสามารถสไลด์ไปข้างๆได้ ทำให้หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ได้ทุกทิศ
3. Ball Wheel 3DOF — เคลื่อนและกลิ้งได้ทุกทิศแต่ในกรณีที่จะใช้เป็นล้อขับจะไม่สามารถขับได้โดยตรงเพราะไม่มีแกนเพื่อใช้ขับทำให้ค่อนข้างยุ่งยาก
Writer — Thanyanin Ar.
15/07/2021
