Принцип работы, применение, преимущества и недостатки колеса Илона
Колесо Илона или Шведское колесо – это роликонесущее колесо, которое позволяет двигаться транспорту в любом направлении.
Шведское колесо было изобретено в 1973 году, изобретателем Бенгтом Илоном. Его конструкция представляет собой колесо, на котором смонтировано несколько роликов, установленных на протяжении всей окружности колеса. Угол вращения между роликами и осью колеса составляет 45 градусов. Посредством изменения направления и скорости вращения отдельных колес машина, на илоновых колесах, может передвигаться в любом направлении: вперед-назад, влево-вправо, по диагонали, по любой дуге и вокруг собственной оси. При этом трение скольжения между опорной поверхностью и роликами практически отсутствует. Конструкция колеса Илона позволяет вращаться на месте при низком вращательном моменте и минимальной силе трения. В гусеничном транспорте и погрузчиках используется подобный способ для вращения, однако, в данном случае они могут повредить поверхность, по которой передвигаются. Также, для преодоления при вращении силы трения на земле требуется наличие двигателя с высоким крутящим моментом.
Крутящий момент – это векторная физическая величина, которая характеризует действие силы на механический объект, вызывающей его вращательное движение.
В 1980-х годах Военно-морские силы Соединенных Штатов Америки выкупили патент Илона. Аппараты, которые оснащались шведскими колесами, применялись для передвижения по палубе. В 1997 году компания Airtax Incorporated и ряд других купили у Военно-морских сил Соединенных Штатов Америки право на использование технологии, в том числе старые чертежи, в которых описывался принцип работы контроллеров и моторов. На основе полученных данных в компании планировалось создать погрузчик, способный перемещаться в ограниченном пространстве.
Колесо Mecanum
Колесо Mecanum представляет собой колесо с рядом прорезиненных внешних роликов, которые наклонно закреплены по всей конструкции обода колеса. Ось вращения каждого ролика, как правило, составляет 45 градусов. Каждое колесо Mecanum является независимым ведущим колесом без рулевого управления, с собственной трансмиссией. При вращении колесо создает движущую силу, перпендикулярную оси ролика, которая может быть разделена на поперечную и продольную составляющие по отношению к транспортному средству. На рисунке ниже представлены схемы движения колеса Mecanum.
Рисунок 1. Колесо Mecanum. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Здесь: красный - направление движения транспортного средства; синий - направление движения колеса; а - движение прямо-вперед; b - движение вбок; c - движение по диагонали; d - движение вокруг поворота; е - вращение; f - вращение вокруг центральной точки одной оси.
Типичной конструкцией колеса Mecanum является конфигурация с четырьмя колесами, которая задействована в одном из всенаправленных мобильных роботов - Uranus или в инвалидной коляске с колесами Mecanum, с чередованием правых и левых роликов, оси которых в верхней части колеса параллельны диагонали рамы транспортного средства. На изображениях ниже, представлены вышеописанные изобретения.
Рисунок 2. Инвалидная коляска с колесами Mecanum. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 3. Всенаправленный мобильный робот URANUS. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Каждым колесом создается тяга, которая примерно параллельна соответствующей диагонали рамы. Посредством изменения скорости и направления вращения каждого колеса, суммирование векторов силы от каждого из них создает линейное движение и/или вращение транспортного средства, что позволяет ему маневрировать с минимальной потребностью в пространстве. Например:
- Движение всех четырех колес в одном направлении и с одинаковой скоростью приведет к движения назад/вперед, потому что продольные векторы силы суммируются, а поперечные компенсируют друг друга.
- Движение с одинаковой скоростью двух колес с одной стороны в одном направлении, а двух колес с другой стороны (с одинаковой скоростью) в противоположном направлении приведет к стационарному вращению транспортного средства, потому что поперечные векторы уравновешиваются, а продольные векторы соединяются для создания крутящего момента вокруг центральной вертикальной оси транспортного средства.
