Napęd wahadłowy
Jak działa
Silnik obraca oś, na której zawieszone jest wahadło z obciążnikiem. Gdy wahadło zostaje wychylone do przodu, środek masy całego układu przesuwa się przed pionową oś przechodzącą przez punkt kontaktu kuli z podłożem. Grawitacja działająca na przesuniętą masę tworzy moment obrotowy względem punktu podparcia, który wprawia powłokę w toczenie w kierunku wychylenia. Utrzymywanie stałego wychylenia daje ciągły ruch, a odwrócenie strony wychylenia zmienia kierunek jazdy. W układach jednoosiowych wahadło porusza się tylko w płaszczyźnie jazdy (przód/tył). W układach dwuosiowych druga oś pozwala przesuwać masę na boki: kula przechyla się i zmienia tor toczenia, co umożliwia skręcanie. Osiągalna prędkość i przyśpieszenie zależą od masy wahadła oraz długości jego ramienia, które wyznaczają maksymalny dostępny moment. Układ jest nieholonomiczny i niedosterowany, dlatego precyzyjne sterowanie wymaga sprzężenia zwrotnego z czujników (np. IMU).
Rozwiązany problem
Jak napędzać i sterować w pełni zamkniętym, kulistym robotem bez wystających kół, nóg czy odsłoniętych elementów napędowych, zachowując szczelność i odporność powłoki na kurz, wodę oraz uderzenia.
Komponenty
Ruchoma masa zawieszona wewnątrz powłoki, której wychylenie przesuwa środek ciężkości układu.
Silnik obracający oś wahadła i utrzymujący jego wychylenie; źródło momentu sterującego położeniem masy.
Oficjalna
Element łączący silnik z wahadłem; wyznacza płaszczyznę, w której przemieszcza się masa (jedna oś dla jazdy przód/tył, druga dla skrętu).
Oficjalna
Zewnętrzna, zwykle szczelna kula tocząca się po podłożu i osłaniająca wnętrze robota.
Sterowniki, czujniki (np. IMU) oraz akumulator zamknięte we wnętrzu, realizujące sprzężenie zwrotne niezbędne dla niedosterowanej dynamiki.
Oficjalna
Implementacja
Moment napędowy jest ograniczony iloczynem masy i ramienia wahadła, dlatego robot ma trudności na stromych nachyleniach i podłożu o dużych oporach toczenia.
W układach jednoosiowych ta sama masa odpowiada za jazdę i za zmianę kierunku, co utrudnia niezależne sterowanie i zwiększa złożoność regulatora.
Niedosterowana dynamika powoduje resztkowe kołysanie wahadła i chwianie kuli przy zatrzymywaniu oraz zmianach prędkości.
Ewolucja
Halme, Schönberg i Wang publikują wczesną pracę o sterowaniu ruchem robota kulistego opartego na przesuwaniu środka masy.
Komercyjne platformy sferyczne (np. Sphero BB-8) spopularyzowały lokomocję opartą na wewnętrznym przesuwaniu masy.
Hiperparametry (konfigurowalne osie)
Większa masa zwiększa dostępny moment napędowy (i pokonywalne nachylenia), ale podnosi zużycie energii i bezwładność.
Dłuższe ramię zwiększa moment przy tym samym wychyleniu, lecz jest ograniczone wewnętrzną średnicą powłoki.
Jedna oś umożliwia jazdę przód/tył; druga oś dodaje bezpośrednie skręcanie przez boczne przesunięcie masy.
Górny zakres wychylenia wahadła ogranicza maksymalny moment i osiągalne przyśpieszenie.