Table of Contents

إن تصميم عجلات للآليات المتنقلة يمثل أحد أهم التحديات الهندسية في مجال الروبوتات الحديثة، ويؤثر تصميم العجلات تأثيرا مباشرا على قدرة الآليين على الملاحة في بيئات متنوعة، والحفاظ على الاستقرار أثناء العمليات، وإنجاز المهام المتوخاة منه بكفاءة، واختيار العجلات الصحيحة لآليك هو قرار حاسم لآليك الذي سيؤثر تأثيرا مباشرا على تنقله وأدائه واستقراره، ويجب على المهندسين أن يوا التوازن بعناية بين المتطلبات المتنافسة لخلق ظروف التشغيل الأمثل.

فهم أساسيات تصميم العجلات الآلية المتنقلة

ويشمل تصميم العجلات الآلية المتنقلة تخصصات هندسية متعددة، بدءاً من الهندسة الميكانيكية وعلوم المواد إلى نظم التحكم والكيماويات، حيث يمكن استخدام الأجهزة المحمولة ذات العجلات بسبب البساطة النسبية لهذه الأجهزة، وانخفاض تكلفتها النسبية للتصميم، وانخفاض استهلاكها من الطاقة، فضلاً عن ارتفاع درجة الدقة في معظم عمليات ضبط الأماكن والنقل واللوجستيات والملاحة، بينما يمكن أن تتكيف التحديات الأساسية مع إيجاد نظم متغيرة للعجلات.

عملية التصميم تبدأ بفهم بيئة تطبيق الروبوتات المراد تشغيلها على سطح سلس مسطحات مختلفة بشكل كبير مقارنة بالآليات الخارجية التي يجب أن تقطع تضاريس غير متجانسة أو تسلق السلالم أو حواجز الملاحة، والعجلات القياسية، التي يشار إليها أيضا بعجلات القيادة، مصممة لأداء على سطح سلس ومسطحات، وهي تستخدم عادة للآليات المحمولة الداخلية، وتُصنع عموما من مواد البلاستيكية.

أنواع العجلات الآلية المتنقلة

الديار العادي

وتمثل عجلات القيادة القياسية أكثر أنواع العجلات شيوعاً للآليات المتنقلة العاملة في البيئات الخاضعة للرقابة، وتشتمل هذه العجلات على تصميم دائري بسيط يُستخدم على سطح اتصال مستمر يوفر مشقق موثوق به على سطح مسطح، وتُوصف المادة الداخلية بالبلاستيك، كما أن المواد الخارجية هي بوليوريثان، ويجعلها التصميم المباشر فعالة من حيث التكلفة ومن السهل التحكم بها، وإن كانت تضحي بمناورات من أجل البساطة.

العجلات القياسية تبرز في التطبيقات التي تتطلب حركة مباشرة وعمليات تحويل بسيطة، فهي توفر استقرارا ممتازا بسبب وصلة اتصال كبيرة بها مع سطح الأرض، ولكن نطاقها المتحول محدود بقاعدة العجلات الآليّة، مما يتطلب مزيدا من المساحة للتغييرات الاتجاهية، وهذا الحد يجعلها أقل ملاءمة للبيئات ذات الأماكن الضيقة أو متطلبات الملاحة المعقدة.

Mecanum Wheels for Omnidirectional Movement

وعجلة ميكانيوم هي تصميم متحرك شامل للسيارات البرية للتحرك في أي اتجاه، ويسمى أحيانا عجلة القيادة السويدية أو عجلة إيلون بعد مخترعها، بنغت إرلاند إيلون (1923-2008)، الذي تصور المفهوم بينما يعمل كمهندس مع شركة Mecanum AB السويدية، وقد قام ببراءات اختراعه في الولايات المتحدة في 13 تشرين الثاني/نوفمبر 1972.

وهي تتألف من سلسلة من الدراجات الخارجية المطاطية التي تُحدَّد على عجلات تبلغ 45 درجة، وكل عجلة تحركها بصورة مستقلة، ويعتمد اتجاه السفر على التفاعل بين الاتجاهات التي تدفع كل عجلة من العجلات فيما يتعلق بالآخرين، وتتيح المحركات الدوارة العجلة توليد ناقلات قوة في اتجاهات متعددة في آن واحد، مما يمكِّن الآلي من المضي قدما، وخلفيا، ودوايا، ودوارة في مكانها.

فالعجلات المتحركة توفر الحركة الشاملة للجميع، وتستعمل التشكيلة النموذجية أربعة عجلات مكانية مرتبة في نمط استجمامي، مع تبدل التوجهات اليسرى واليمنة، وباختلاف سرعة التناوب واتجاه كل عجلة بشكل مستقل، يمكن للروبوت أن يحقق أنماط حركة معقدة دون تغيير توجهه، وهذه القدرة تثبت أنها لا تقدر بثمن في الأماكن المحصورة التي ستكافح فيها روبوتات متحركة تقليدية.

ويتيح تصميم عجلة الميكان التناوب في الموقع بأقل قدر من الاحتكاك الأرضي والتقلبات المنخفضة، وهذا السمة تقلل من الارتطام على العجلات وعلى سطح الأرض، مما يوسع نطاق الحياة التشغيلية للروبوت مع تقليل احتياجات الصيانة إلى أدنى حد، كما أن انخفاض الاحتكاك أثناء العمليات يؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة مقارنة بنظم تزلج لا بد أن تتغلب على مقاومة كبيرة خلال التغييرات في الاتجاه.

أومني - ديرثتريول

وعلى غرار عجلة المكنوم، فإن العجلات الأومنيية مفيدة في خلق حركة شاملة، حيث أن هذه العجلات تحوم حول محيطها، غير أن العجلات في هذه الحالة هي مناظير لطائرة العجلات، ويميز اتجاه العجلات العنانيية هذا العجلات بين العجلات الخماسية من عجلات المكنوم، ويوفر خصائص حركة مختلفة.

هذا يُمكّن من الحركة الجانبية (الجانبية) بالإضافة إلى المُعتادة إلى الحركات الأمامية والخلفية، مما يجعل هذه العجلات مفيدة للحركات الدقيقة في الأماكن الضيقة، فإتفاقية الدراجات العُزلية تسمح للعجلة بأن تدور بحرية في الاتجاه العُليا إلى محور التناوب الرئيسي، مما ييسر حركة الآلات دون الحاجة إلى تغيير التوجهات.

وتعطي عجلات الأومني مزايا في تطبيقات محددة تكون فيها الحركة الأفقية أساسية، ويمكن تشكيلها في مختلف الترتيبات لتحقيق مختلف قدرات الحركة، ويمكن استخدام عجلات المكنوم أو العجلات الجامعة التي توضع على زوايا متعارضة لجعل قيادة الروبوتات أو ناقلات في أي اتجاه، وكثيرا ما يتوقف الاختيار بين العجلات الجامعة وعجلات الميكناوم على متطلبات التنقل المحددة والقيود المفروضة على بيئة التشغيل.

العجلات القابلة للثقة والإعالة

وقد أدت التطورات الأخيرة في الروبوتات المتنقلة إلى وضع تصميمات للعجلات قابلة لإعادة التشكيل يمكن أن تكيف شكلها وخصائصها على أساس ظروف التضاريس، حيث أن الروبوتات المتنقلة ذات العجلات تتسم بالكفاءة على سطح مسطح، ولكنها تواجه قيودا في التغلب على العقبات التي تعترض طريقها إلى شعائرها الثابتة، وهذه الورقة تمثل عجلة جديدة قابلة لإعادة تشكيلها مع آلية ذات حجم مزدوج، تمثل آلية فعالة لإعادة التشكيل، مصممة للتكيف الدينامي مع مختلف.

وعلى الرغم من أن هذه الآليات التي تقوم على عجلات قابلة لإعادة التشكيل أثبتت وجود تحركات فعالة على سطح مسطح وقدرات على تسلق السلالم، فإن آلياتها القابلة لإعادة التشكيل لا تتمتع عادة إلا بدرجة واحدة من الحرية، مما يحد من قدرتها على التكيف مع مختلف أحجام العجلات، وبالإضافة إلى ذلك، ونظرا لأن العملية المعاد تشكيلها في العديد من التصميمات لم تكن قابلة للتكيف، فإنها كثيرا ما تؤدي إلى مسارات أقل سلاسة عند تسلّق السلالم.

وتمثل العجلات المنوية أو المتقطعة فئة أخرى من تصميمات العجلات التكييفية، وتدور العجلات المتناهية أو الناطقة مثل العجلات القياسية، وتستخدم الناطقين المتفرقين لتحقيق حركة شبيهة بالساق، وتجمع هذه العجلات بين كفاءة الحرق المتحرك على السطح المسطح مع قدرات العقبة على عبور الروبوتات المتحركة، وتعمل المتحدثات كساقين المؤقتين عند مواجهة العقبات، ورفع الجسم الآلي التقليدي.

عوامل التصميم الحرجة لاختيار العجلات

مقياس العجلات وتطهير العواطف

ويمثل قطر العجلات أحد أهم معايير التصميم التي تؤثر على التنقل والاستقرار، وتوفر العجلات الأكبر حجماً تصاريح أكبر للعقبات، مما يتيح للآليين أن يقطعوا على الأرض غير المتساوية ويتسلقوا الحواجز بفعالية أكبر، وتتبع العلاقة بين مقياس العجلات والقدرة على عبور العقبات المبادئ الأساسية المتعلقة بالمقاييس الأرضية - يمكن للعجلات أن تتسلق نظرياً عقبات تصل إلى نصف قطرها في ظل ظروف مثالية.

ومع ذلك، فإن مقياس العجلات المتزايد يُدخل المبادلات التي يجب على المهندسين أن ينظروا فيها بعناية، فالعجلات الأكبر حجما تزيد من طول الروبوت عموما، مما يزيد من درجة جاذبيته ويقلل من الاستقرار، كما أنها تتطلب محركات أقوى لتحقيق نفس التسارع والسرعة، وزيادة استهلاك الطاقة، ووزن النظام، وقد يؤدي تزايد تخلف العجلات الأكبر في التناوب إلى الحد من المناورة والاستجابة لمدخلات.

إن عجلات أصغر تقدم مزايا من حيث القدرة على الحركة وتصميم الموصولات، فهي تتيح زيادة الضغط على المسارات، وتسريع التغييرات في الاتجاه، مما يجعلها مثالية للآليات العاملة في الأماكن المحصورة، ويتيح الحد من سرعة التحكم في التناوب والاستجابة السريعة للقيادات الملاحية، غير أن العجلات الصغيرة تحد من قدرة الآليين على تخطي الأرض الخام وتذليل العقبات، وتقييد العمليات إلى السطح السلس نسبيا.

عمليات اختيار المواد وتصريفها

ويؤثر اختيار المواد المتحركة تأثيرا كبيرا على الأداء وعلى القدرة على الاستمرار، وقد استخدم نموذج فيزياء يتضمن احتكاك كولومب ومقاومة مستمرة لشرح هذه التباينات، مع إبراز أدوار الامتثال السطحي، وصعوبة المواد، وتشوهات الاتصال، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين الممتلكات المادية المتعددة بما في ذلك معامل الاحتكاك، ومقاومة اللبس، والوزن، والتكلفة.

إن مركبات المطاط وبوليوريثان تمثل أكثر المواد عجلات للآليات المتنقلة شيوعاً، وهذه المواد البالية توفر محركاً ممتازاً على معظم السطح بينما تعرض بعض الامتصاص للصدمات لحماية المكونات الميكانيكية للآليين، وتزيد مركبات التبريد من الإمساك ولكنها ترتدى بسرعة أكبر، بينما تستمر المواد الأصعب على السطح السلس، ويجب أن يكون تقدير المقياس المكثف للارتفاع المادي

وتوفر العجلات البلاستيكية مزايا من حيث الوزن والتكاليف ولكنها توفر عادة أقل من البدائل المطاطية، وهي تعمل بشكل جيد على السطح الناعم داخل المباني حيث لا يكون الحد الأقصى للقبض ضروريا، وتجمع بعض التصميمات بين المكونات الهيكلية البلاستيكية وخيوط المطاط أو البولي يوريثان، وتحقيق توازن أمثل في القوة والوزن وخصائص الارتطام.

وبالنسبة للتطبيقات المتخصصة، يمكن للمهندسين أن يحددوا مواد غريبة مثل مطاط السيليكون للمقاومة الكيميائية، أو عجلات معدنية مع إدخالات مطاطية قابلة للاستعاضة عنها لبيئة صناعية تعمل على العمل الشاق، ويجب أن لا تراعي عملية اختيار المواد متطلبات الأداء الفوري فحسب، بل أيضاً مدى القدرة على الاستمرار، واحتياجات الصيانة، وتكاليف التشغيل على مدى العمر المتوقع للآليين.

ويدث واتصال باتش

ويؤثر على رقعة الاتصال مباشرة في المنطقة التي تلمس فيها العجلة السطح الأرضي، ويخلق عجلات أوسع رقعة اتصال أكبر، ويوزع وزن الروبوت على منطقة أكبر ويقلل من الضغط الأرضي، وهذا السمة الأساسية للآليات التي تعمل على سطح ناعم مثل السجاد أو العشب أو الرمل، حيث قد تغرق العجلات الضيقة أو تترك مسارات واضحة.

كما أن زيادة رقعة الاتصال بالعجلات الأوسع تعزز الاستقرار من خلال توفير مقاومة أكبر لقوات التصفيق، وهذا أمر يكتسب أهمية خاصة بالنسبة للآليين الذين لديهم مراكز عالية من الجاذبية أو الذين يحملون حمولات متغيرة، ويزيد الموقف الأوسع من لحظة مقاومة قوات الدفة، ويحسن قدرة الآليين على الحفاظ على التوازن في التضاريس غير المتساوية أو خلال التغيرات السريعة في الاتجاه.

غير أن عجلات أوسع تطرح تحديات خاصة بها، فهي تزيد من المقاومة المتدحرجة، وتتطلب مزيدا من القوة للحفاظ على سرعة معينة، كما أن منطقة الاتصال الأكبر تولد مزيدا من الاحتكاك أثناء عمليات التحول، ولا سيما بالنسبة للآليين الذين يستخدمون التوجيه المتمايزي، وقد تؤدي هذه الاحتكاكات المتزايدة إلى ارتداء مفرط على العجلات وعلى سطح الأرض، وقد تقلل من دقة الملاحة في الأماكن الضيقة.

ويجب أن يُفضي المهندسون إلى استخدام أسلاك العجلات على أساس متطلبات التطبيق المحددة، فالأسطوانات المصممة لتشغيلها في الهواء الطلق تستفيد من عجلات أوسع، بينما يستخدم الروبوتات الموجودة داخل المباني على أسطح صلبة وسليمة عجلات أضيق لتقليل الاحتكاك إلى أدنى حد وزيادة الكفاءة إلى أقصى حد، وبعض التصميمات تستخدم عجلات ذات ترددات مختلفة أو أسلاك قابلة للتكيف مع ظروف التشغيل المختلفة.

اعتبارات الاستقرار في تصميم العجلات

مركز العلاقات الجاذبية والعجلية

العلاقة بين مركز الجاذبية الآلي وقاعدة العجلات تحدد بشكل أساسي خصائص استقراره مركز الجاذبية المنخفض يعزز الاستقرار من خلال تقليل لحظة التصفيق التي تولدها القوات الجانبية أو التضاريس غير المتساوية

قاعدة العجلات، المسافة بين العجلات الأمامية والخلفية تعمل جنباً إلى جنب مع مركز الجاذبية لتحديد الاستقرار، قاعدة عجلات أوسع تزيد من مقاومة الروبوت للضغط في الاتجاه الأمامي، بينما يحسن مسار أوسع (المسافة بين العجلات اليسرى واليمين) الاستقرار الأفقي، وتتوقف قاعدة العجلات المثلى على بيئة التشغيل التي ينويها الإنسان الآلي وأنواع الاضطرابات التي سيواجهها.

وبالنسبة للآليات التي تعمل على سطح مسطح وسليم، قد يكفي وجود قاعدة ضيقة نسبياً توفر مزايا من حيث المناورة وتصميم المناورة، غير أن الروبوتات المصممة للعمليات الخارجية أو التضاريس الخام تتطلب قاعدة عجلات أوسع للحفاظ على الاستقرار عند تحطم المنحدرات أو الأرض غير المتساوية أو العقبات، كما أن قاعدة العجلات المتزايدة توفر منطقة أكبر من البوليغون - التي يجب أن يظل مركز الجاذبية فيها لمنع التصفر.

وتضيف اعتبارات الاستقرار الديناميكي طبقة أخرى من التعقيد إلى تصميم قاعدة العجلات، وعندما يتسارع الروبوت أو يزيل أو يتحول إلى قوى غير شرعية تحول مركز الجاذبية الفعال، ويجب أن يُحسب الآليون ذو السرعة العالية أو الذين يحملون حمولات متغيرة هذه الآثار الدينامية في تصميم قاعاتهم، وتدمج بعض النظم المتقدمة أنظمة الإيقاف الفعلي أو توزيع الوزن تتكيف في الوقت الحقيقي للحفاظ على الاستقرار الأمثل في ظل الظروف المتغيرة.

تداول العجلات والاستقرار

شكل الروبوتات المتنقلة و تشكيلة العجلات حرجة في تحديد أدائه واستقراره وقابلية المناورة و استراتيجيات التحكم في مختلف العجلات

ويمثل تشكيلة العجلات الثلاث الحد الأدنى من العجلات اللازمة للاستقرار الثابت، حيث يستخدم هذا الترتيب عادة عجلتين محركتين وعجلة واحدة من الطوابع أو العجلات الكلية لتحقيق التوازن، حيث توفر تصميمات ثلاثية العجلات مناورة ممتازة وخطابات بسيطة، مما يجعلها شعبية بالنسبة للآليات الصغيرة داخل المباني، غير أنها توفر قدرا أقل من الاستقرار من أربعة عجلات، ولا سيما على تضاربة غير متجانسة حيث قد تفقد عجلة واحدة الاتصال بالأرض.

ويوفِّر تشكيلات العجلات الأربع استقراراً أعلى من خلال إنشاء جهاز دعم أكبر، وكل آلي متنقل من نوع الدراجة الواحدة، مع عجلتين متحركتين مركبتين على نفس المحور ويخضعان بشكل مستقل لجهازي مكتظين (محركات شركة التعمير) ويكفل ترتيب العجلات الأربع استمرار اتصال الآلي بالأرض حتى عندما يقطع الحواجز المعتدلة أو الأسطح المتفاوتة، ويعمل هذا التشكيل بشكل جيد على وجه الخصوص على الروبوتات التي تحمل أعباء ثقيلة.

كما أن تشكيلات العجلات الست والثمانية تعمل على زيادة الاستقرار والقدرة على عبور العقبات، وهذه التصميمات المتعددة العجلات توزع وزن الروبوت على نقاط اتصال أكثر، وتخفض الضغط الأرضي، وتحسن الانتصاب على السطحات اللينة، كما أن العجلات الإضافية توفر ازدراء، إذا واجهت عجلة واحدة عقبة أو فقدت، فإن العجلات المتبقية يمكن أن تحافظ على التقدم في المستقبل، غير أن زيادة عدد العجلات تزيد من تعقيدات.

نظم تعليق وتكييف الأراضي

وتؤدي نظم وقف العمل دورا حاسما في الحفاظ على الاستقرار في التضاريس غير المتساوية من خلال السماح للعجلات بالتحرك بشكل مستقل مع الحفاظ على مستوى الجسم الآلي، وتستخدم نظم الإيقاف السريع الينابيع والرصاصات لامتصاص الصدمات والحفاظ على الاتصال بالعجلات بالأرض، وتحسن هذه النظم نوعية الركوب وتحمي العناصر الحساسة من قوة الاهتزاز والصدم.

وتستخدم نظم الإيقاف النشطة أجهزة الاستشعار والمحاضرات لتعديل مواقع العجلات على أساس ديناميكي على أساس التضاريس، ويمكن لهذه النظم المتطورة أن تخفض مستوى الجسم الآلي على المنحدرات، وأن تعدل التطهير الأرضي من أجل عبور العقبات، وأن تُفضي إلى توزيع الوزن إلى أقصى حد ممكن، وفي حين أن التعليق النشط يعزز الاستقرار والتنقل، فإنه يضيف قدرا كبيرا من التعقيد والوزن واستهلاك الطاقة إلى تصميم الروبوتات.

ويمثل تعليق الصواريخ، الذي وضع أصلاً للمريخ، تصميماً متخصّصاً للتعليق السلبي يوفر استقراراً ممتازاً على الأراضي الخام، ويستخدم هذا النظام آلية تفاضلية لتوزيع الوزن على جميع العجلات بصرف النظر عن المخالفات في الأرض، ويتيح هذا التصميم للآلي تسلق العقبات أكبر من قطر العجلات مع الحفاظ على توجه جسمي نسبي.

ويتوقف اختيار نظام التعليق على بيئة التشغيل ومتطلبات الأداء، وقد لا تتطلب الأجهزة المصممة لسطحات داخلية سلسة أي تعليق، في حين أن الروبوتات الموجودة في الخارج التي تعمل على التضاريس الخام تستفيد بدرجة كبيرة من نظم التعليق المتطورة، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين الاستقرار والتنقل المحسنين اللذين يوفرهما التعليق وبين التعقيد والوزن والتكاليف الإضافية.

استراتيجيات تعزيز القدرة على التنقل

التصادم والتخريب الأمثل

ويمثل التراكب الشرط الأساسي للتنقل دون أن يكون هناك قدر كاف من الإمساك بين العجلات والسطح الأرضي، ولا يمكن للروبوت أن يولد القوى اللازمة للتحرك، ويرفع المهندسون درجة الشدة من خلال اختيار دقيق للمواد العجلات، وأنماط الخيط، وضغط الاتصال، ويقرر معامل الاحتكاك بين سطح العجلات والأرض الحد الأقصى للقوة التي يمكن أن تنقلها العجلة قبل حدوث الانزلاق.

وتؤثر أنماط الاختطاف تأثيرا كبيرا على خصائص الشباك على مختلف السطحات، وتعمل الخيوط الجلدية بشكل جيد على السطح النظيف النظيف حيث توفر المساحة القصوى للتواصل أقصى قدر من الإمساك، وتزيد الخيوط المثبتة بالجرعات أو الأمتعة من التمزق على السطح الميسر أو غير المستقر، وذلك بالسماح للختان بالاختراق والتداخل مع الغطاء، وتنتج أنماط الارتطام المتضاعفة على التراب الخارجي أو قد تلحق الضرر بالطابق الداخلي.

الاتصال بالضغط - القوة لكل منطقة من مناطق الوحدة على الوصلات البينية المتحركة - الوصلات السطحية - يمكن لضغط الاتصال العالي أن يحسن الإمساك بالأسطح الصلبة بزيادة منطقة الاتصال الحقيقية على مستوى الميكروسكوب، غير أن الضغط المفرط قد يلحق ضرراً بالأسطح الناعمة أو يسبب العجلة للغرق في التضاريس المكشوفة، ويجب على المهندسين أن يضفيوا إلى أقصى حد على ضغط الاتصال لبيئة التشغيل المحددة، مع استخدام نظم قابلة للتكيف، مع ذلك، تكيف، مع ذلك، تكيف، مع ذلك، تكيف، مع الظروف السطحية، التي تُ ضغطها، على أساس الظروف السطحية.

وبالنسبة للآليات العاملة في ظروف متغيرة، فإن بعض التصميمات تتضمن نظماً تكييفية، وقد تشمل عجلات ذات أنماط قابلة للتعديل، وآليات ضغط متغيرة للاتصال، بل وحتى مجموعات العجلات المتغيرة، تُفضّل لأنواع مختلفة من الأرض، وفي حين أن هذه النظم تضيف تعقيداً، فإنها تتيح منصة آلية واحدة للعمل بفعالية في مختلف البيئات.

القابلية للتنقية وتحول الأداء

تشمل القدرة على التزييف قدرة الآلي على تغيير الاتجاه، وربط الأماكن الضيقة، وتنفيذ أنماط الحركة المعقدة، والحركة غير المباشرة، والتناوب في أي اتجاه دون الحاجة إلى إعادة التوجيه، والتصويب: الملاحة الدقيقة للمساحات الضيقة، والوضع الدقيق بالقرب من معدات المختبر، وتصاميم العجلات تؤثر مباشرة على هذه القدرات من خلال تأثيرها على حركة الأشعة والتناوب.

إن التوجيه المختلف، حيث تدور العجلات اليسرى واليمينية بسرعات مختلفة، يمثل الطريقة الأكثر شيوعاً للتحكم في الروبوتات المتنقلة، وهذا النهج يوفر البساطة والموثوقية، ولكنه يتطلب حيزاً للتحول، ويتوقف الحد الأدنى من مدارات العجلات على المقودات ذات المسافات المتوسطة على طولها، ويحتاج إلى مزيد من المساحة لإكمال التحولات، وإذا كان للسرعتين المتقلبين نفس القيمة، ولكن الاتجاه المختلف.

وتقضي نظم العجلات غير المباشرة على الحد من نطاقات التناوب تماما، مما يتيح التناوب والتنقل في أي اتجاه دون إعادة توجيه، وبتفاوت سرعة التناوب واتجاه كل عجلة، فإن تلخيص ناقلات القوة من كل عجلات سيخلق كلا من الحركة و/أو التناوب في المركبة، مما يتيح لها المناورة حول الحاجة الدنيا إلى الفضاء، وهذه القدرة تثبت أنها لا تقدر بثمن في المستودعات.

وتتوقف دقة عمليات التحول على دقة مراقبة سرعة العجلات والتسامح الميكانيكي لنظام القرص الصلب، ويمكن للأخطاء الصغيرة التي تُجرى بسرعة العجلات أو قطرها أن تتسبب في انحراف الروبوت عن مساره المقصود، ولا سيما أثناء السفر البعيد المدى، وتعوض نظم المراقبة المتقدمة عن هذه الأخطاء باستخدام التغذية المرتدة من المحاور أو منظارات العجلات أو نظم المواقع الخارجية، مع الحفاظ على سلامة الملاحة حتى مع العناصر الميكانيكية غير الدقيقة.

قدرات السرعة والتسارع

تصميم العجلات يؤثر على السرعة القصوى للآليين وتسريع تأثيره على معدلات المعدات، وخط التناوب، وكفاءة نقل الطاقة، والعجلات الأكبر تتيح سرعة أعلى لجهاز آلي معين، ولكنها تقلل من سرعة التسارع والقدرة على التسلق، والعجلات الصغيرة توفر تسارعا أفضل وتكرارا، ولكنها تحد من السرعة القصوى.

مقاومة التغيرات في سرعة التناوب كم يمكن للروبوت أن يسرع ويخفف ويتغير الاتجاه

وتتوقف كفاءة نقل الطاقة من المحرك إلى الأرض على عوامل متعددة تشمل الاحتكاك، وكفاءة المعدات، وزلبة العجلات، وتخفض آثار الاحتكاك العالية الجودة إلى أدنى حد، بينما تُصمم معدات مناسبة لتعظيم نقل الطاقة، وتنزلق العجلات دون وجود طاقة متماثلة لنقل الأرض، وتخفض سرعة التشغيل، وتخفف المهندسون من الانزلاق عن طريق التصميم الأمثل للتشنج ونظم التحكم الذكية التي تكتشف وتصحح الظروف.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب سرعة عالية وسرعة جيدة، بعض الآليين يستخدمون أنظمة نقل متغيرة أو نسب متعددة للعتاد، هذه النظم تسمح للآليين أن يحققوا أفضل مزية آلية لظروف تشغيل مختلفة، على غرار كيفية تمكين معدات الدراجة من التشغيل الفعال عبر تضاريس مختلفة ومتطلبات السرعة.

المبادلات الهندسية في تصميمات العجلات

Size Versus Agility

وتمثل العلاقة بين حجم العجلات والقابلية للذوبان أحد أهم المفاضلات في تصميم الروبوتات المتنقلة، وتوفر العجلات الأكبر مزايا عديدة تشمل إزالة العقبات بدرجة أكبر، وارتفاع السرعة، وتحسين القدرة على تغلّب الأراضي الخام، وهي تتدحرج بسهولة أكبر من المخالفات السطحية وتوفر ركوبا أكثر سلاسة عن طريق سد الثغرات واستيعاب المطبات الصغيرة.

لكن هذه الفوائد تأتي بتكلفة تقلل من سرعة العجلات الكبيرة تزيد من أبعاد الروبوت العامة، مما يحد من قدرته على الملاحة في الأماكن الضيقة، وزيادة التناوب في العوارض تجعل التغيرات السريعة في الاتجاه أكثر صعوبة وكثافة للطاقة، وتصل إلى مستوى أعلى من الجاذبية الذي يرافق عجلات أكبر في كثير من الأحيان، يمكن أن يقلل من الاستقرار، لا سيما أثناء فترات الارتفاع السريع أو على السطح المتخلف.

عجلات أصغر تنفجر في بيئات محصورة حيث التغييرات الإتجاهية السريعة والأبعاد المدمجة ضرورية، فهي تتيح زيادة الضغط على جهاز التحكم بالأشعة وأكثر استجابة، مما يجعلها مثالية للآليات الداخلية العاملة في أماكن مكتظة، وتسمح معدلات التناوب المنخفضة بتسريع السرعة وتباطؤها، وتحسين قدرة الآليين على تجنب العقبات والاستجابة للبيئات الدينامية.

ويتوقف الحجم الأمثل للعجلات على متطلبات التطبيقات، إذ أن روبوتات المستودعات التي تبحر في الممرات الواسعة تستفيد من عجلات أكبر تتيح سرعة أعلى وعبورا أفضل، وعلى النقيض من ذلك، فإن روبوتات الخدمات العاملة في المنازل أو المكاتب تحتاج إلى عجلات أصغر من أجل المناورة في أماكن ضيقة، وبعض التطبيقات تتطلب حلا وسطا، باستخدام عجلات متوسطة الحجم توفر أداء مقبولا عبر معايير متعددة دون أن تنفجر في أي منطقة واحدة.

المادة (فيروس وييت)

واختيار المواد لعجلات الروبوتات ينطوي على توازن متطلبات القابلية للدوافع مع قيود الوزن، المواد القابلة للاستمرار مثل البلاستيك الصلب، أو المعادن، أو المركبات المعززة التي ترتدى وتؤثر بشكل أفضل من البدائل الأكثر مرونة، وتوسيع نطاق العجلات التشغيلية، وخفض متطلبات الصيانة، وهذه المواد القوية تثبت أنها ضرورية للآليات التي تعمل في بيئات قاسية أو تحمل حمولات ثقيلة.

لكن المواد الدائمة عادة ما تكون أكثر من نظرائهم الخفيف، زيادة وزن العجلات تؤثر مباشرة على الكتلة الكلية للروبوتات، مما يتطلب المزيد من السيارات القوية والبطاريات الأكبر لتحقيق نفس الأداء، والوزن الإضافي يزيد استهلاك الطاقة، ويقلل من وقت التشغيل بين الرسوم، ويزيد أيضاً من وزن العجلات التناوبية، ويزيد من سرعة التناوب، ومناورة.

وتخفف المواد الخفيفة الوزن مثل الإطارات المحملة بالرغاوي، والعجلات البلاستيكية ذات الجدران الرقيقة، أو الهياكل المركبة من العقوبات على الوزن، ولكنها قد تضحي بالدوافع، وتعمل هذه المواد بشكل جيد على الروبوتات العاملة في البيئات الخاضعة للرقابة والتي لها أسطح سلسة، وتقلل من حجم التأثيرات، مما يتيح حياة البطاريات الأطول، ويحسن أداء المحركات الأصغر حجما، مما يقلل من تكلفة النظام وتعقيده عموما.

وتحاول النهج الهندسية المتقدمة تحقيق الحد الأمثل من هذه المبادلات من خلال الجمعات المادية المبتكرة والتصميمات الهيكلية، وتوفّر العجلات المركبة ذات النواة القوية والخفيفة والخطوط الخارجية الدائمة أداء جيدا في كلتا الفئتين، وتخفض التصميمات القائمة على الناطقين وزناً مع الحفاظ على السلامة الهيكلية، وتبرر بعض التطبيقات ذات الأداء العالي المواد الغريبة مثل ألياف الكربون أو سبائك التي توفر نسباً استثنائية من حيث القوة إلى الوزن.

تعقيد نظم وقف العمل والحركة

ويعزز نظام التعليق والحركة المتطورة إلى حد كبير تنقل الروبوت واستقراره، ولكن يُدخل تعقيدا كبيرا في التصميم العام، وتوفر نظم التعليق النشطة التي تضبط مواقع العجلات القائمة على ظروف التضاريس أداء أعلى على أرضية قاسية، وتحافظ على الاستقرار والارتباك حيثما تفشل نظم العجلات المستقلة، وتتيح المناورات المتقدمة والتحكم الدقيق، ولكنها تتطلب محركات متعددة وخوارزميات للمراقبة المعقدة.

ويتجلى هذا التعقيد في عدة طرق في النظام الآلي، ويزيد التعقيد الميكانيكي من عدد الأجزاء المتحركة، التي يمثل كل منها نقطة فشل محتملة تتطلب الصيانة، وتتطلب نظما أكثر تطورا مجهزين أقوى وبرامجيات متطورة للمراقبة، ويزيد من وقت التنمية وتكلفتها، كما أن أجهزة الاستشعار الإضافية اللازمة للنظم النشطة تزيد من الوزن، واستهلاك الطاقة، وطرق الفشل المحتملة.

وتوفر التشكيلات البسيطة للعجلات والحركات الموثوقية وسهولة الصيانة بتكلفة انخفاض القدرة، ويوفر نظام أساسي للحركة التفضيلية يحتوي على محركين وعجلات ثابتة أداء كافيا للعديد من التطبيقات مع التقليل إلى أدنى حد من التعقيد، وهذه النظم البسيطة يسهل عليها تشخيص المشاكل والإصلاح والصيانة، والحد من تكاليف التشغيل الطويلة الأجل، والوقت المعطل.

ويتوقف القرار بين النظم البسيطة والمعقدة على متطلبات التطبيق وعلى بيئة التشغيل، وقد لا تبرر الأجهزة العاملة في بيئات خاضعة للرقابة يمكن التنبؤ بها التعقيد الإضافي لنظم التعليق والحركة المتقدمة، وعلى العكس من ذلك، فإن الروبوتات المصممة لمواجهة البيئات الخارجية الصعبة أو التطبيقات الحرجة التي تستفيد فيها الموثوقية استفادة قصوى من النظم المتطورة رغم تعقيدها.

التكلفة فيرس

إن الاعتبارات الاقتصادية تشكل أساسا قرارات تصميم العجلات في جميع مراحل عملية التنمية، إذ أن نظم العجلات العالية الأداء التي تتضمن مواد متقدمة، وصناعة دقيقة، ونظم رقابة متطورة تؤدي إلى ارتفاع مستوى التنقل والاستقرار، ولكن أسعار أقساط القيادة تتجاوز الشراء الأولي وتشمل الصيانة، وأجزاء الاستبدال، والخبرة المتخصصة في الإصلاحات.

وتعطي التصميمات المدروسة للميزانية الأولوية للفعالية من حيث التكلفة، باستخدام المكونات القياسية والتشكيلات البسيطة التي تقلل من نفقات التصنيع والصيانة، وتخفض العجلات الخارجية ونظم الدفع وقت التنمية وتزيد وفورات الحجم من الإنتاج الجماعي، وفي حين أن هذه الحلول الاقتصادية قد لا تضاهي أداء النظم المصممة خصيصا، فإنها غالبا ما توفر قدرة مقبولة للعديد من التطبيقات بجزء من التكلفة.

تُمتد التكلفة الإجمالية للملكية إلى ما يتجاوز سعر الشراء الأولي بحيث تشمل تكاليف التشغيل على مدى عمر الروبوت، وتخفض تصميمات العجلات ذات الكفاءة في استخدام الطاقة تكاليف الكهرباء وتمتدّ فترة البطارية، مما قد يُعيق الاستثمار الأولي المرتفع من خلال انخفاض نفقات التشغيل، وتُقاوم العجلات التي تُقلل من تواتر الاستبدال وتوقّف الصيانة، وتحسن الاقتصاد الكلي للنظام على الرغم من ارتفاع تكاليف الوحدة.

ويجب على المهندسين تقييم المفاضلات في أداء التكاليف في سياق نموذج التطبيق والأعمال التجارية المحددين، ويستفيد روبوتات الإنتاج العالية الحجم من التصميمات المثلى التي تقلل من التكاليف العامة حتى إذا كانت نفقات التنمية كبيرة، وقد يبرر الروبوتات المتخصصة المنخفضة الحجم عناصر أقساط تبسط التنمية وتضمن أداء موثوق به، ويتوقف التوازن الأمثل على كميات الإنتاج ومتطلبات الأداء ووضع الأسواق.

مفاهيم تصميم العجلات المتقدمة

نظم العجلات الهجينة

تمثل نظم العجلات الهجينة نهجا ابتكاريا يجمع بين كفاءة الحركة المتحركة والقدرة على عبور العقبات التي تنطوي عليها الروبوتات المسننة، واقترح يوان تاو وآخرون آلية للعجلات قابلة للتحويل يمكن تحويلها بين عجلة لا توصف بثلاثة وعجلات ثابتة وهيكل عجلات قياسي يعطي قدرة وتنقل الروبوتات على عبور العقبات الجيدة، وتكيف هذه النظم تشكيلتها على أساس ظروف متماثلة، وتعمل كعجلات على مواجهة سطحية سلسة.

وتختلف آلية التحول عبر مختلف التصميمات، وتستخدم بعض النظم محركات محركات متحركة لإعادة تشكيل شكل العجلات بنشاط، بينما تستخدم نظم أخرى آليات سلبية تستجيب لملامح التضاريس تلقائيا، وتوفر نظما نشطة مزيدا من الرقابة على عملية التحول، ولكنها تزيد من تعقيدها واستهلاكها من الطاقة، وتوفر النظم السلبية البساطة والموثوقية، ولكنها قد لا تتغير دائما في اللحظة المثلى.

إن عجلات العجلات المتكلّمة لها قدرة هائلة على عبور العقبات، ولكن الناطقين المتفككين يجعلون حركة الروبوت غير نظامية، وهذا التقلب يمثل تحدياً رئيسياً في تصميم العجلات المتحركة - الانتقال بين العجلات وطريقة الساق يمكن أن يسبب الترهيب أو فقدان الاستقرار، كما أن نظم التحكم المتقدمة تسهل هذه التحولات بتنسيق توقيت التحول عبر عجلات متعددة وتكييف سرعة السيارات للحفاظ على تقدم مستمر.

وتشمل تطبيقات نظم العجلات الهجينة آليين للبحث والإنقاذ يجب أن يغذوا حقول الحطام العكسي، وآليات زراعية تعمل في المزارع الخشنة، وآليات استكشاف مصممة لسطح الكواكب، وهذه البيئات الصعبة تبرز تضاريساً مختلطة حيث يكون التطهير النقي أو المقطع غير كاف، ويمكِّن النهج الهجين من السفر بكفاءة على أجزاء سلسة مع الحفاظ على القدرة على التغلب على العقبات التي من شأنها أن توقف الروبوتات التقليدية المتحركة.

عجلات ذكية مع الاستشعار المتكامل

وتدرج تصميمات العجلات الحديثة بشكل متزايد أجهزة الاستشعار والاستخبارات مباشرة في التجمع المتحرك، وترصد هذه العجلات الذكية البارامترات مثل سرعة التناوب، وقوة الاتصال، وظروف التسلل، والخصائص السطحية في الوقت الحقيقي، ويتيح الاستشعار المتكامل استراتيجيات رقابة أكثر تطورا تُفضي إلى الأداء على أساس ظروف التشغيل الفعلية بدلا من البارامترات المحددة مسبقا.

ويوفر المجهزون بالعجلات قياسا دقيقا للتناوب، مما يتيح قياس دقيق للدودية الملاحية، ويكشف جهاز الاستشعار عن العجلات عندما تفقد العجلات مسارها أو تواجه عقبات، مما يتيح لنظام المراقبة تعديل القيادة الآلية على النحو المناسب، ويقيس مقاييس التسارع والجراجات المثبتة في التجمعات المتحركة القوى الدينامية والهزات، ويوفر بيانات لمراقبة الاستقرار وتصنيف التضاريس.

وتغذي البيانات المستمدة من العجلات الذكية خوارزميات التحكم المتقدمة التي تُفضي باستمرار إلى السلوك الآلي، وتكشف نظم مراقبة الحركة عن زلقة العجلات وتُقلل من حركتها لتحافظ على قبضتها دون إهدار الطاقة، وتستخدم نظم مراقبة الاستقرار قياسات القوة للتنبؤ بظروف التصفير ومنعها، وتحلل الخوارزميات أنماطاً لتحديد الأنواع السطحية وتعديل بارامترات التحكم تبعا لذلك.

إن إدماج الاستشعار والتجهيز في التجمعات المتحركة يتيح فرصا وتحديات على السواء، فالاستخبارات الموزعة تقلل من العبء المحسوب على المجهز المركزي وتسمح بالاستجابة على نحو أسرع للظروف المحلية، غير أن البيئة القاسية التي تسودها العجلات، وعبء التأثير، والماء المحتمل أو التعرض للتراب، تستلزم تعبئة أجهزة الاستشعار القوية ونظم الاتصال الموثوق بها، وتوليد الطاقة إلى جمعيات العجلات الميكانيكية الدوارة يتطلب إضافة أو

نظم الطاقة المتجددة والمتجددة

(ب) أن تُمكِّن تصميمات العجلات النموذجية الآليين من تكييف تشكيلاتهم لمختلف البعثات أو لبيئة التشغيل، وتتيح وحدات العجلات المتبادلة منصة آلية واحدة لتبادل العجلات القياسية للعمليات الداخلية، أو العجلات الشاملة للاستخدام في الأماكن المغلقة، أو العجلات الشاملة للأماكن المحصورة، مما يقلل من الحاجة إلى وجود روبوتات متعددة متخصصة، وتحسين استخدام الموارد، وخفض تكاليف النظام عموما.

ويمتد النهج العنصري إلى ما يتجاوز الاستبدال العجلات البسيطة ليشمل قاعدة العجلات القابلة للتعديل، وقاعدة المسار المتغير، ونظم التعليق القابلة لإعادة التشكيل، ويمكن للروبوت أن توسع قاعدة عجلاتها لتحسين الاستقرار عند حمل حمولات ثقيلة أو التعاقد معها من أجل تحسين المناورة في الأماكن الضيقة، ويتيح استخدام المسارات القابلة للتعديل تحقيق الاستخدام الأمثل للأنواع المختلفة على نطاق الأرض بالنسبة للأسطح الميسرة، وضيق بالنسبة للأسطح الصلبة.

وتيسر آليات التغيير السريع تبادل العجلات بسرعة دون أدوات متخصصة أو فترات توقف طويلة، وتتأكد الوصلات المتصاعدة الموحدة من التوافق بين مختلف أنواع العجلات والمصنعين، وتدمج بعض النظم المتقدمة الاعتراف التلقائي بوحدات العجلات المركبة، وتكييف بارامترات التحكم على نحو ملائم دون تشكيل يدوي.

وتتوافق الفلسفة النموذجية مع الاتجاهات الأوسع نطاقا نحو النظم الآلية المرنة القابلة لإعادة التشكيل التي تتكيف مع المتطلبات المتغيرة، وبدلا من تصميم روبوتات متخصصة لكل طلب، يقوم المهندسون بإنشاء منابر متعددة يمكن تكييفها من خلال اختيار الوحدات، ويقلل هذا النهج من تكاليف التنمية، ويبسط الصيانة من خلال عناصر موحدة، ويوسع نطاق الحياة المفيدة للمنصات الآلية مع تطور الاحتياجات.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

أجهزة آلية صناعية ومستودعية

وتشمل الاستخدامات عمليات الرفع الشوكية التي تتطلب مناورة شديدة جدا، وآليات مستقلة، وكراسي متحركة، وتطرح البيئات الصناعية تحديات فريدة لتصميم عجلات آلية متنقلة، وتجمع بين متطلبات القدرة على الحمولة الثقيلة، وتحديد مواقع محددة، وتشغيل في الأماكن المحصورة، ويجب على روبوتات المستودعات أن تبحر في ممر ضيق بين مسارات التخزين، مع تحمل أعباء كبيرة، وتحتاج إلى عجلات توازن بين الاستقرار والمناية.

وفي عام 1997، دفعت شركات النقل الجوي وعدد من الشركات الأخرى 500 2 دولار أمريكي من أجل الحقوق في التكنولوجيا، بما في ذلك الرسوم القديمة لطريقة عمل المحركات والمتحكمين، لبناء شاحنة نقل شوكية شاملة يمكن أن تُناورة في أماكن ضيقة مثل سطح ناقل الطائرات، وهذه المركبات الآن في طور الإنتاج، وهذا التطبيق يبين كيف يمكن للتصميمات المتطورة للعجلات أن تتيح قدرات جديدة في البيئات الصناعية التي تُدرب فيها الفضاء.

وتتزايد استخدام النظم الحديثة للتشغيل الآلي للمستودعات لعجلات شاملة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في عمليات الوفاء بالبضائع إلى الأفراد، ويمكن للروبوتات المجهزة بعجلات المكنوم أو العجلات الجامعة أن تقترب من مواقع التخزين من أي زاوية، مما يقلل الوقت اللازم لعمليات تحديد المواقع والالتقاط، كما أن القدرة على الانتقال إلى مسارات جانبية تمكن الآليين من نقل المناطق المكتظة دون تحولات المعقدة المتعددة النقاط، وتحسين إمكانية الوصول إلى مواقع التخزين والحد من مخاطره.

ولا تتطلب عجلات الكاكاو أي عمل طابقي على الإطلاق، ولا تسبب ارتداءا إضافيا، فالأشد دقة في تكنولوجيا الدفع الشامل التي تستخدمها شركة KUKA تحقق دقة تصل إلى +/- 5 ملم، وهذا المستوى من الدقة يُثبت أنه ضروري لعمليات التصنيع والتجمع الآلية حيث يتعين على الروبوتات أن تضع عناصرها بتساهل شديد، كما أن انخفاض حجم الأحذية يقلل من تكاليف صيانة المرفقات، وهو ما يمثل اعتبارا هاما لعمليات المستودعات الكبيرة.

الرعاية الصحية والبيئات المختبرية

وتطرح أماكن المختبر والبحث والرعاية الصحية تحديات فريدة لنشر أسطول آلي متنقل مستقل: محدودية استخدام الفضاء في المناورة: تتطلب ممرات التصادم والمعدات الباهظة التكلفة حركة دقيقة مع وقت سريع للاستجابة للإعاقة، وتتطلب مراقبة التلوث: متطلبات التقلب التي تنطوي عليها العينات والمواد الحيوية تحركات سلسة ومتحكمة، وتتطلب هذه البيئات المطلة تصميمات على العجلات التي تعطي الأولوية للدقات، والنظافة، وخصائص ذات الحركة النبيلة.

عجلات آلية ميكانيك تسمح لآليات R2 المستقلة بالتحرك بسلاسة حول الزوايا والناس والمعدات الطبية، والتقليل إلى أدنى حد من التأخيرات وتجنب أي حركة مُضللة قد تُساوم العينات، وتكفل الحركة الشاملة لـ R2 دائماً أن تأخذ أكثر الطرق مباشرة، وتقليص وقت النقل وضمان عينات الدم الحساسة لا تخضع لأية قفزات أو اضطرابات لا داعي لها يمكن أن تبطل النتائج.

ويجب على روبوتات الرعاية الصحية أيضاً أن تنظر في متطلبات مكافحة العدوى في تصميمها المتحرك، كما أن أسطح العجلات المتحركة التي لا توجد بها خيوط عميقة تيسر التنظيف والتطهير، ويجب أن تقاوم المواد التدهور من التعرض المتكرر للمواد الكيميائية التنظيفية، وتشتمل بعض التصميمات على مواد مضادة للأوبئة أو معاطف تعوق النمو البكتيري على سطح العجلات.

وتصبح الاعتبارات الدقيقة ذات أهمية خاصة في بيئات الرعاية الصحية حيث تكون راحة المرضى وتركيز الموظفين من الأولويات. فالعجلات الميكانيكية 80 مم تسمح بالتحرك الشامل مع ضوضاء منخفضة جدا، وهذا النوع من العجلات يمكن أن يتحرك بشكل مستقر ومرن في العمل.

التطبيقات الخارجية لجميع أنواع التدريب

وتواجه الروبوتات المتنقلة الخارجية تحديات مختلفة اختلافا كبيرا مقارنة بنظائرها الداخلية، إذ أن الأرض غير المأهولة، والأسطح الميسرة، والعقبات، والظروف البيئية مثل الطين، والثلوج، أو النباتات تتطلب تصميمات قوية للعجلات مع تعزيز الترام والدوام، ويجب أن تعمل الآلات الزراعية، ومركبات مواقع البناء، ومنابر البحث والإنقاذ بصورة موثوقة في هذه الظروف المطلة.

وقد صممت عدة روبوتات متنقلة مثل المرجل والمتعقّب والعجلات والآلات الهجينة، ومن بينها روبوتات متنقلة متحركة متحركة اجتذبت أكثر الاهتمامات نظراً لاحتمال تطبيقاتها في التخزين، واللوجستيات، والرصد البيئي، والزراعة، وما إلى ذلك، غير أن هذه الأجهزة الآلية المتنقلة المتحركة ذات العجلات لها هيكل بسيط، وهي سهلة التحكم فيها، لا تناسب سوى الأرض المسطح المسطح ولا يمكن تطبيقها على أسطحات المعقدة مثل السلالم والطرق المتقدمة.

وتشتمل العجلات الشاملة على أنماط مضغية شديدة بشد الأمتعة التي تخترق السطحات اللينة وتوفر التداخل الميكانيكي مع الغطاء، وتحسن العجلات الكبيرة من العجلات المانعة وتخفض احتمال أن تصبح في حالة من الكساد أو البقع اللينة، وتوزع العجلات الأوفر وزنا على منطقة أكبر، وتخفض الضغط الأرضي وتمنع الغرق في الطين أو الرمل.

ويستخدم بعض الروبوتات الخارجية تصميمات عجلات متخصصة مثل العجلات المتحركة لتشغيلها في الثلج أو الإطارات ذات الكساد المنخفض بالنسبة للتضاريس المرنة للغاية، وتضحي هذه التصميمات الخاصة بالتطبيق بالأداء على الأسطح الصلبة من أجل تحقيق أقصى قدر من القدرة في بيئتها المستهدفة، وتثبت المبادلات أنها جديرة بالآليات المكرسة لتطبيقات خارجية محددة حيث تفشل العجلات التقليدية تماما.

المؤسسات التعليمية والمنافسة

وكثيرا ما تشهد مسابقات الروبوتات الشبابية مثل تحدي التكنولوجيا الأولى وأجهزة الفيديو الرقمية استخدام عجلات الميكانيكية من قبل الأفرقة المشاركة، وتوفر الروبوتات التعليمية أرضية اختبار هامة لمفاهيم تصميم العجلات، مع إدخال الطلاب إلى المبادئ الهندسية، وتخلق بيئات المنافسة متطلبات فريدة تدفع الابتكار في تصميم العجلات واستراتيجيات الرقابة.

الحركة الشاملة التي يوفرها تصميم المكنوم يمكن أن تعطي الروبوتات مزيداً من المناورة والمرونة لمعالجة أهداف المنافسة وقطع الأرض عندما تكون تشكيلة ساحة المنافسة مناسبة للتصميم، ويتعلم الطلاب تقييم المنافذ بين مختلف أنواع العجلات واختيار التصميمات المناسبة لتحديات محددة في اللعبة، وهذه التجربة العملية التي تنطوي على اختيار العجلات والتفاؤل توفر تعليم هندسي قيم.

وكثيراً ما يدفع آليو المنافسة تصميمات العجلات إلى حدودهم، ويعملون بسرعة عالية مع التغيرات السريعة في الاتجاه والتسريع العدواني، وتكشف هذه الظروف المتطلبة عن وجود نقاط ضعف في تصميم العجلات ونظم الدفع، وتوفر تعليقات قيمة للتحسين، وكثيراً ما تجد الابتكارات التي تُستحدث لآليات المنافسة طريقها إلى التطبيقات التجارية عندما يدخل الطلاب القوة العاملة ويطبقون خبراتهم في مشاكل العالم الحقيقي.

ويستفيد المجتمع الآلي التعليمي أيضا من الواجهات المتحركة الموحدة والعناصر المتاحة بسهولة، وقد قامت أفرقة عديدة بتكييف عجلات المكنوم من موردين مثل نكسوس وغوبيلدا، أو بتصنيعها، وهذا النظام الإيكولوجي الذي يتوافق مع العناصر يتيح سرعة الإعداد والتجريب، والتعجيل بعملية التعلم، والسماح للطلاب بالتركيز على قرارات التصميم الأعلى بدلا من التفاصيل الميكانيكية المنخفضة المستوى.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم العجلات الآلية المتنقلة

أنواع الروبوتات وعجلات الشركات

إن التكنولوجيات الآلية المتطورة التي تبشر بتثبيت تصميم العجلات من خلال استخدام مواد وهياكل متوافقة مع الأرض من خلال التشوهات السلبية، خلافا للعجلات الجامدة التي تحافظ على شكل ثابت، يمكن للعجلات اللينة أن تتوافق مع المخالفات السطحية، وزيادة رقعة الاتصال وتحسين الترسبات على التضاريس غير المتساوية، وهذا الامتثال يوفر أيضا استيعاب الصدمة المتأصل، وحماية المكونات الميكانيكية والالكترونية من قوى التأثير.

ويستخدم العجلات اللينة المتحركة الضغط الجوي لتكييف التشعب والتشكيل الديناميكي، ويؤدي الضغط المنخفض إلى خلق عجلات متوافقة مع العجلات بالنسبة للأرض الخام والتصلب الأقصى، ويؤدي الضغط العالي إلى عجلات متينة مناسبة للأسطح السلسة والسرعة الأعلى، وتشتمل بعض التصميمات المتقدمة على غرف جوية متعددة ذات رقابة ضغط مستقلة، مما يتيح التشوهات اللامعية لتعزيز التسلق أو الاستقرار الأفقي.

والمواد غير المادية ذات الخصائص الميكانيكية المصممة بعناية تتيح العجلات التي تتحلل بشكل متوقع في ظل الحمولة، مع العودة إلى شكلها الأصلي عند تفريغها، ويمكن تصميم هذه المواد بمدى تفاوت الخصائص المميزة في اتجاهات مختلفة، من أجل تحقيق الأداء الأمثل لظروف تحميل محددة، كما أن تقنيات التصنيع المضافة تتيح هياكل داخلية معقدة من المستحيل إنتاجها بأساليب التصنيع التقليدية.

ويخلق إدماج المواد اللينة في الهياكل الصلبة تصميمات هجينة تجمع بين فوائد كلا النهجين، ويوفر مركز صلب الدعم الهيكلي والنقاط المتصاعدة بينما توفر طبقة خارجية غير مكتملة الامتثال والارتباط، وتتيح آليات التقلبات العجلة تعديل امتثالها على أساس ظروف التضاريس أو أوامر المراقبة، وتحقيق الأداء الأمثل في مختلف بيئات التشغيل.

الاستخبارات الأثرية والرقابة التأديبية

وتتيح تكنولوجيات المعلومات الاستخبارية والتعلم الآلي زيادة تطوير استراتيجيات مراقبة العجلات التي تتكيف مع الظروف المتغيرة في الوقت الحقيقي، وبدلا من الاعتماد على معايير التحكم المحددة سلفا، تتعلم النظم التي تعمل بالعجلات من خلال الخبرة، وتحسن باستمرار الأداء في مواجهة حالات جديدة، وتثبت هذه القدرة التكيّفية قيمة خاصة بالنسبة للآليات التي تعمل في بيئات لا يمكن التنبؤ بها حيث تكافح النهج التقليدية للتحكم.

ويمكن أن تحدد خوارزميات التعلم الآلات أنواع التضاريس من بيانات الاستشعار وأن تعدل تلقائياً معايير التحكم بالعجلات من أجل الأداء الأمثل، ويتعلم النظام أن يعترف بأنماط مرتبطة بمختلف أنواع الخرسانة، والفولط الخام، والعشب، والمقبرة، وتطبيق الرقابة المناسبة على المضايقات، والحدود القصوى للسرعة، ومعايير الاستقرار، ويحسن هذا التحكم في معرفة الأرض من كفاءة الأداء والطاقة عن طريق تحسين السلوك المتحرك في الظروف الفعلية.

وتستخدم نظم الرقابة الافتراضية أجهزة الاستخبارات الآيرلندية لتحسب سمات التضاريس القادمة وتعديل تشكيلة العجلات بصورة استباقية، وبتحليل بيانات أجهزة الاستشعار من الكاميرات أو الليدار، يمكن للنظام أن يكشف العقبات أو المنحدرات أو التغيرات السطحية التي تسبق الآلي، وأن يعد العجلات وفقا لذلك، وهذا النهج الترقي يتيح الانتقال السلس والأداء الأفضل مقارنة بالنظم التفاعلية التي لا تستجيب إلا بعد مواجهة تغير في التضاريس.

إن تعزيز التعلم يمكّن الآليين من اكتشاف استراتيجيات جديدة لمراقبة العجلات قد لا يتصورها مهندسون بشريون، ومن خلال استكشاف نُهج مختلفة للتحكم والتعلم من النتائج، يمكن لنظم التنفيذ أن تُحدّد المشاكل المعقدة المتعددة الجوانب التي تنطوي على الاستقرار والسرعة وكفاءة الطاقة وتفادي العقبة، وتكشف هذه السلوكيات المتعلمة أحيانا عن حلول غير متوقعة تفوق النهج الهندسية التقليدية.

المواد المستدامة والناجعة للعجلات الإيكولوجية

وتؤثر الشواغل البيئية بشكل متزايد على قرارات تصميم العجلات بينما تسعى المنظمات إلى الحد من آثارها الإيكولوجية، وتسهم المواد العجلات التقليدية مثل المطاط التركيبي واللدائن القائمة على النفط في التلوث البيئي من خلال عمليات إنتاجها والتخلص من النفايات في نهاية العمر، وتستكشف صناعة الروبوتات بدائل مستدامة تحافظ على الأداء مع الحد من التأثير البيئي.

وتوفر المواد التي تستمد من مصادر متجددة بدائل واعدة للمواد العجلات التقليدية، فالمطاط الطبيعي من المزارع المستدامة يوفر محركات ممتازة وقابلية للاستمرار ذات تأثير بيئي أقل من البدائل الاصطناعية، ويمكن أن تحل الجمود الأحيائي الذي يتم إنتاجه من نجوم الذرة أو قصب السكر أو غير ذلك من المواد النباتية محل البلاستيك القائم على النفط في هياكل العجلات، وكثيرا ما تقدم هذه المواد أداء مماثلا مع الحد من انبعاثات الكربون والاعتماد على الوقود الأحفوري.

وتُعد المواد المعاد تدويرها وسيلة أخرى للتصميم المستدام للعجلات، ويمكن تجهيز اللدائن والمطاط بعد الاستهلاك في مكونات متحركة، وتحويل النفايات من مدافن القمامة، مع خفض الطلب على المواد البكر، وتنتج تكنولوجيات إعادة التدوير المتقدمة مواد مُعاد تدويرها مع اقتراب خصائص المواد الخام، مما يتيح استخدامها في التطبيقات المُطالبة، وتُعرض بعض الجهات المصنعة الآن عجلات تُصنع بالكامل من المحتوى المعاد تدويره دون أن تُعرض الأداء.

ويضمن التصميم على إعادة التدوير أن العجلات يمكن تفكيكها وإعادة تدويرها بسهولة في نهاية الحياة، وتقضي التصميمات المتحركة على ضرورة فصل مختلف المواد قبل إعادة التدوير، ويتيح البناء النموذجي استبدال المكونات الدودية كل على حدة بدلا من التخلص من العجلة بأكملها، وتمتد نُهج التصميم هذه من عمر المنتج وتيسر استعادة المواد، وتدعم مبادئ الاقتصاد الدائري.

التكامل مع نظم الملاحة المستقلة

ويقود تطور نظم الملاحة المستقلة إلى إحراز تقدم في تصميم المحركات ومراقبتها، ويزداد الاعتماد على الآليين الحديثين في نظم متطورة للتصورات، بما في ذلك الكاميرات والليدار والرادار والمجسات فوق الصوتية لفهم بيئتهم، ويجب أن يدمج نظام العجلات دون هوادة مع نظم التصور هذه، وذلك لتمكين عمليات مستقلة حقا.

ويجمع أشعة الشمس بين البيانات المستمدة من مصادر متعددة لإيجاد فهم شامل لظروف التضاريس ومتطلبات الملاحة، ويستخدم نظام مراقبة العجلات هذه البيانات المزروعة لتحقيق أقصى قدر من الارتطام والاستقرار والكفاءة في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تحدد بيانات الكاميرا منحدراً قادماً بينما تُقيس الليدار زاوية تركيزه، مما يسمح للنظام بتعديل توزيع العجلات قبل الوصول إلى خط الأنقاض.

وترصد نظم الصيانة الافتراضية حالة العجلات من خلال أجهزة الاستشعار المتكاملة وتحليلات المعلومات المسبقة عن علم، ويمكن لهذه النظم أن تحدد، من خلال الكشف عن علامات التبديل أو التلف أو تدهور الأداء، تكاليف الصيانة بصورة استباقية قبل حدوث الإخفاقات، وتثبت هذه القدرة أنها ذات قيمة خاصة بالنسبة للآليات المستقلة التي تعمل في مواقع نائية أو التطبيقات الحرجة التي تنطوي على تكاليف كبيرة في فترات النزول غير المتوقعة.

فالتواصل بين المركبات والهياكل الأساسية يتيح إمكانية الوصول إلى المعلومات عن التضاريس القادمة من مصادر خارجية، وقد تبث المرافق الذكية ظروفا سطحية أو مواقع عائقية أو طرقاً أمثل للآليات العاملة داخلها، وهذه المعلومات الخارجية التكميلية على متن المركبات، مما يتيح تخطيطاً أفضل ومراقبة أكثر كفاءة للعجلات، وبما أن الهياكل الأساسية تزداد اتصالاً، فإن قدرات الاتصال هذه ستؤدي دوراً متزايداً في استخدام نظام العجلات.

أفضل الممارسات لتنفيذ تصميم العجلات

تحليل الاحتياجات ومواصفاتها

ويبدأ التصميم الناجح للعجلات بتحليل دقيق للاحتياجات يستوعب جميع معايير وقيود الأداء ذات الصلة، ويجب على المهندسين فهم بيئة التشغيل بالتفصيل، بما في ذلك أنواع السطح، والسمات الأرضية، والعقبات، والظروف البيئية، والسرعة المميزة للبعثة الآلية، ومتطلبات التعجيل، والقدرة على تحميلها، وشكلات تصميمات العجلات التي تستغرقها مدة التشغيل.

وتوفر المواصفات الكمية أهدافا واضحة للتصميم الأمثل، وينبغي تحديد السرعة القصوى، والتسارع، والتحول إلى نطاق، وارتفاع العقبة، والقدرة على تسلق المنحدرات بقيم رقمية بدلا من الوصف النوعي الغامض، وهذه المواصفات تتيح التقييم الموضوعي لبدائل التصميم والتحقق من أن التصميم النهائي يفي بالمتطلبات.

فالتعريف المكثف يحول دون إهدار الجهود في مجال التصميمات التي لا يمكن تنفيذها، ويجب أن توضع في وقت مبكر قيود مادية مثل الحجم والوزن والحدود المفروضة على إزالة الألغام الأرضية، وتؤثر قيود الميزانية على عمليات اختيار المواد وصنعها، وقد تُلزم المتطلبات التنظيمية سمات محددة للسلامة أو خصائص الأداء، ويسترشد فهم هذه القيود في عملية التصميم إلى حلول عملية.

ويكفل مدخل أصحاب المصلحة أن يتناول تصميم العجلات جميع الشواغل ذات الصلة، ويوفر المستخدمون النهائيون معلومات عن ظروف التشغيل العملية ومتطلبات الاستخدام، ويحدد موظفو الصيانة الشواغل المتعلقة بإمكانية الخدمة، ويقيِّم المهندسون المصنعون الآثار المترتبة على الإنتاج والتكاليف، ويقلل إدراج وجهات النظر المتنوعة في مرحلة مبكرة من عملية التصميم من احتمال حدوث تغييرات باهظة الثمن في مرحلة لاحقة من مراحل التنمية.

استراتيجيات الصياغة والاختبار

فالوضع المكرر يتيح الاستكشاف السريع لبدائل التصميم وتحديد المسائل المحتملة قبل الالتزام بالانتاج النهائي، ويركز النموذج الأولي على التحقق من المفاهيم الأساسية وتحديد المشاكل الرئيسية، وقد تستخدم هذه التصميمات الأولية قياسات جغرافية مبسطة أو عناصر متاحة بسهولة للتقليل إلى أدنى حد من الوقت المحدد للتكلفة والتنمية، والهدف هو التعلم بسرعة والفشل بسرعة، واكتشاف المشاكل عندما تكون غير مكلفة بعد تحديدها.

ويحسن التكرير التدريجي التصميمات من خلال عمليات التكرار المتعاقبة، ويعالج كل منها المسائل المحددة في النسخ السابقة، وتشمل النماذج الأولية الوسيطة مواد أكثر واقعية، وعمليات التصنيع، والسمات المفصلة، ويصبح الاختبار أكثر صرامة، وتقييم الأداء في ظل ظروف تتطابق تماما مع بيئة التشغيل المقصودة، ويوازن هذا النهج التدريجي بين الحاجة إلى التحقق الدقيق من الرغبة في التقليل إلى أدنى حد من وقت التنمية وتكلفتها.

ويتحقق الاختبار الشامل من أداء العجلات في جميع ظروف التشغيل ذات الصلة، ويضمن اختبار التعقب على مختلف الأسطح الإمساك الكافي للتعجيل والتفاخر والتحوّل، ويخضع اختبار مدى القدرة للعجلات اللازمة لتوسيع نطاق التشغيل في إطار حمولات واقعية لتحديد أنماط اللبس والتنبؤ بحياة الخدمات، ويتحقق الاختبار البيئي من الأداء تحت درجات الحرارة القصوى، والرطوبة، والغبار، وغير ذلك من الظروف التي سيواجهها الإنسان الآلي.

ويكمل التبسيط والنموذج الاختبارات المادية من خلال إتاحة استكشاف الظروف الصعبة أو المكلفة لاستخلاصها في المختبر، ويتوقع تحليل العناصر الزائفة الأداء الهيكلي في ظل ظروف تحميل مختلفة، وتقيم ديناميات متعددة الأجناس خصائص الاستقرار والمناولة، وتعجل هذه الأدوات الحاسوبية بعملية التصميم وتخفض عدد النماذج الأولية المادية المطلوبة، وإن كانت لا تستطيع أن تحل محل التجارب في العالم الحقيقي.

الوثائق وإدارة المعارف

وتتناول وثائق ثورة قرارات التصميم ونتائج الاختبار والدروس المستفادة في جميع مراحل عملية التنمية، وتثبت هذه المعلومات أنها لا تقدر بثمن بالنسبة للمشاريع المقبلة، مما يمكّن المهندسين من الاستفادة من الأعمال السابقة بدلا من تكرار الأخطاء أو إعادة اكتشاف الحلول، كما تيسر الوثائق الاتصال بين أعضاء الأفرقة وتدعم أنشطة الصيانة والتشويه بعد النشر.

وتوضح وثائق التصميم الأساس المنطقي سبب اتخاذ خيارات محددة، بما في ذلك البدائل التي جرى النظر فيها والأسباب الكامنة وراء الاختيار النهائي، وهذا السياق يساعد المهندسين في المستقبل على فهم التصميم واتخاذ قرارات مستنيرة بشأن التعديلات أو التحسينات، وبدون هذا الأساس المنطقي، قد يتراجع المهندسون فيما بعد عن القرارات التي تم النظر فيها بعناية، ويعيدون تقديم المشاكل التي سبق حلها.

وتوفر بيانات الاختبار ونتائج التحليل أدلة موضوعية على الأداء المتحرك وتحدد مجالات التحسين، وتسمح قواعد البيانات المنظمة لنتائج الاختبار بالمقارنة بين مختلف التصميمات وظروف التشغيل، ويكشف التحليل الإحصائي عن الاتجاهات والترابطات التي قد لا تظهر من التجارب الفردية، وهذا المعرف المتراكم يسترشد بقرارات التصميم في المستقبل ويساعد على وضع أفضل الممارسات.

وتدعم النفقة وكشف المشاكل العمليات الميدانية بتوفير تعليمات واضحة للإجراءات والمشاكل المشتركة، وينبغي أن تتضمن هذه الوثائق مواصفات لقطع الغيار وإجراءات التكيف وتقنيات التشخيص، وتخفض وثائق الصيانة المكتوبة جيدا الوقت المعطل وتضمن استمرار أداء العجلات على النحو المصمم طوال فترة خدمتها.

خاتمة

إن تحقيق التوازن بين الاستقرار والتنقل في تصميم العجلات الآلية المتنقلة يمثل تحديا هندسيا معقدا يتطلب النظر بعناية في العديد من العوامل المترابطة، من القرارات الأساسية المتعلقة بنوع العجلات وحجمها إلى خيارات متطورة فيما يتعلق بالمواد، ونظم التعليق، واستراتيجيات الرقابة، وكل عنصر تصميم يؤثر على أداء العجلات الآلية الآلية الآلية المتحركة والملموسة، وهي تمثل تصميما مثيرا ومفيدا لجعل الآليين متنقلة قادرة على التكيف مع مختلف التضاريس.

ويتوقف تصميم العجلات الأمثل تماما على متطلبات التطبيق المحددة وعلى بيئة التشغيل، فالآليات الداخلية تستفيد من خصائص متحركة مختلفة عن المنابر الخارجية، وتتطلب التطبيقات السريعة حلولا مختلفة عن مهام تحديد المواقع بدقة، ويجب على المهندسين أن يفهموا تماما هذه المتطلبات وأن يتبادلوا على نحو مستنير الأداء الأمثل في حالة الاستخدام المقصود.

وتعود التكنولوجيات الناشئة، بما في ذلك الروبوتات اللينة، والاستخبارات الاصطناعية، والمواد المستدامة، بتوسيع قدرات العجلات الآلية المتنقلة مع معالجة الشواغل البيئية، وستمكن هذه الابتكارات الآليين من العمل بفعالية في بيئات تزداد صعوبة، مع الحد من آثارها الإيكولوجية، وسيؤدي إدماج نظم الاستشعار والمراقبة المتقدمة إلى زيادة تعزيز أداء العجلات من خلال السلوك التكييفي الذي يستجيب بذكاء للظروف المتغيرة.

يتطلب النجاح في تصميم العجلات نهجاً منهجياً يجمع بين تحليل الاحتياجات الشاملة، والاختبارات المكررة والشاملة، والوثائق المتأنية، وباتباع أفضل الممارسات المتبعة والتعلم من النجاحات والفشل على السواء، يمكن للمهندسين أن يطوروا نظماً للعجلات تحقق التوازن الفعلي بين الاستقرار والتنقل في الوقت الذي تلبي فيه جميع متطلبات الأداء، وللمزيد من المعلومات عن النظم الآلية المتنقلة ونظم الحكم الذاتي، زيارة

ومع استمرار تطور الروبوتات المتنقلة وتوسيع نطاقها إلى تطبيقات جديدة، سيظل تصميم العجلات عاملا حاسما في تحديد القدرة والأداء الآليين، وسيستمر التحدي الأساسي المتمثل في تحقيق التوازن بين الاستقرار والتنقل، ولكن الأدوات والتكنولوجيات المتاحة لمواجهة هذا التحدي ما زالت تتحسن، وسيكون المهندسون الذين يتقنون مبادئ تصميم العجلات ويبقون حاليا مع التكنولوجيات الناشئة مؤهلين بشكل جيد لخلق الجيل القادم من الروبوتات المتنقلة التي تدفع حدود ما هو ممكن.