Введение

Складские AMR должны сочетать высокую грузоподъёмность (до 1000–1500 кг) с работой в узких проходах (шириной до 3 м). Выбор кинематической схемы напрямую определяет маневренность, точность позиционирования и эксплуатационные расходы. Цель работы — обосновать выбор оптимальной схемы для тяжёлых складских роботов.

Обзор кинематических схем ходовой части

Дифференциальный привод — наиболее распространённая схема в складской робототехнике. Два ведущих колеса расположены на одной оси, каждое приводится отдельным двигателем. Устойчивость обеспечивается дополнительными пассивными колёсами (от 2 до 4). Поворот осуществляется за счёт разницы скоростей вращения колёс; при вращении в разные стороны с одинаковой скоростью робот разворачивается на месте.

Преимущества: малый (нулевой) радиус разворота, механическая простота, высокая точность позиционирования, низкая стоимость компонентов и богатая программная экосистема. Недостатки: повышенный износ шин при развороте на месте из-за проскальзывания; требование точной синхронизации моторов.

Трёхколёсная схема аналогична велосипедной: одно управляемое ведущее колесо и два пассивных опорных. Часто применяется в штабелёрах. Преимущества: простая кинематика, хорошее сцепление ведущего колеса. Недостатки: меньшая устойчивость, больший радиус разворота по сравнению с дифференциальным приводом.

Схема Аккермана: задние колёса ведущие, передние — управляемые. При повороте внутреннее колесо поворачивается на больший угол, чем внешнее. Преимущества: высокая устойчивость на скорости, малый износ шин. Недостатки: большой радиус разворота, сложная механика рулевого управления. Схема неоптимальна для работы в ограниченном пространстве склада.

Mecanum колёса — на ободе установлены ролики под углом 45° к оси вращения. Векторное сложение сил от четырёх колёс позволяет двигаться в любом направлении. Преимущества: мгновенное боковое смещение, голономность. Недостатки: низкая энергоэффективность, ограниченная грузоподъёмность (типично 5–200 кг), вибрация при движении, высокие требования к чистоте и ровности пола.

Бортовой поворот — «Танковая» схема: колёса левого и правого бортов вращаются независимо; поворот осуществляется проскальзыванием. Преимущества: высокая проходимость. Недостатки: повышенный износ шин и напольного покрытия, сложность точного позиционирования.

Таблица 1

Сравнение кинематических схем

Дифференциальный привод обеспечивает наилучший баланс: нулевой радиус разворота, высокая грузоподъёмность, простота управления и низкая стоимость. Всенаправленные схемы ограничены грузоподъёмностью 200 кг. Схема Аккермана уступает в маневренности. Бортовой поворот приводит к высокому износу покрытия.

Кинематика дифференциального привода описывается классическими уравнениями для платформы типа «unicycle». Линейная скорость vv и угловая скорость ωω связаны с угловыми скоростями колёс ωLωL​ и ωRωR​:

v=r2(ωR+ωL)

ω=rd(ωR−ωL),

где r — радиус колеса, d — расстояние между ведущими колёсами.

Уравнения движения в глобальной системе координат:

X˙=vcos⁡θ, Y˙=vsin⁡θ, θ˙=ω.

Данная модель обеспечивает полную управляемость в пространстве конфигураций при сохранении неголономных связей. Для складских операций, где требуется высокая точность позиционирования (до ±2–3 см), дифференциальная схема позволяет реализовать прецизионное управление с использованием стандартных ПИД-регуляторов и расширенных фильтров Калмана.

Экспериментальная проверка

Для верификации выбора дифференциального привода был разработан цифровой двойник грузового робота в среде Gazebo на базе ROS 2. Модель включала корпус массой 1150 кг (с грузом), два ведущих колеса радиусом 0,1 м и два пассивных опорных колеса. Проведены сценарии, имитирующие реальные складские операции: движение по прямой с грузом, разворот на месте, навигация по складской карте.

Результаты подтвердили эффективность дифференциального привода:

– разворот на месте осуществлялся с радиусом, близким к нулевому;

– точность позиционирования при стыковке с паллетой составила ±2,5 см;

– энергопотребление за цикл 50 м с грузом — 0,42 кВт·ч, что обеспечивает 8 часов автономной работы.

Проскальзывание колёс при повороте с максимальной скоростью не превысило 5 % от пройденного пути и успешно компенсировалось коррекцией одометрии данными IMU и лидара.

Заключение

Дифференциальный привод является оптимальным для тяжёлых складских AMR. Отказ от всенаправленных схем обусловлен их низкой грузоподъёмностью, от схемы Аккермана — недостаточной маневренностью. Результаты могут использоваться при проектировании ходовых частей складских роботов.

Литература:

1. Differential Drive vs Mecanum vs Omni Wheel. — Текст: электронный // fdatabot.com: [сайт]. — URL: https://www.fdatabot.com/differential-drive-vs-mecanum-vs-omni-wheel-robot-chassis/ (дата обращения: 13.08.2026).

2. A Comprehensive Guide to Wheeled Mobile Robot Kinematics. — Текст: электронный // fdatabot.com: [сайт]. — URL: https://www.fdatabot.com/differential-drive-vs-mecanum-vs-omni-wheel-robot-chassis/ (дата обращения: 13.08.2026).

3. Deng J., An L., Luo L., Zou Z., Lu J., Gong L. Path Tracking Error Minimization of Differential Drive Wheel Mobile Robot Carrying Off-Center Heavy Load. — Текст: электронный // 2025 11th International Conference on Mechatronics and Robotics Engineering (ICMRE). — IEEE, 2025. — P. 214–220. — URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10976293 (дата обращения: 13.08.2026).

4. Хаблов Д. В. Модель управления складским транспортным роботом с аддитивным планированием пути. — Текст: электронный // Труды 16-й Международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD’2023, Москва). — М.: ИПУ РАН, 2023. — С. 1041–1046. — URL: https://mlsd2023.ipu.ru/proceedings/1041.pdf (дата обращения: 13.08.2026).