Prije nego što se odabere hoće li robot imati kotače, noge ili propelere, treba znati što se od gibanja traži. Ova jedinica postavlja šest zahtjeva, pokazuje kako se svaki mjeri i zašto se nijedan ne može povećati bez da se neki drugi smanji.
Pitanje kakav pogon staviti na robota gotovo se uvijek postavlja naopako. Krene se od izvedbe koja se dopala — četveronožac koji se penje stubama, vozilo koje se okreće u mjestu, letjelica koja preskače sve zapreke — pa se traži posao na koji bi se ta izvedba dala primijeniti. Rezultat je poznat: naprava koja radi na sajmu, a u pogonu stoji.
Obratan je red jedini koji vodi do upotrebljiva stroja. Najprije se opiše posao: koliko se nosi, koliko brzo, po kakvoj podlozi, koliko sati bez punjenja, s kolikom točnošću zaustavljanja i uz kakve zapreke. Iz toga opisa izlaze brojevi, a tek brojevi omogućuju usporedbu. Bez njih je rasprava o nogama i kotačima rasprava o ukusu.
U ovoj se jedinici uvodi šest zahtjeva koji zajedno opisuju gotovo svaki zadatak gibanja. Nisu jedini mogući, ali su oni koji se u praksi najčešće sudaraju: stabilnost, prohodnost, iskoristivost energije, upravljivost, nosivost i točnost.
Zahtjev je rečenica s brojem i mjernom jedinicom uz koju stoji kako se provjerava. „Robot mora biti stabilan“ nije zahtjev. „Robot se ne smije prevrnuti na bočnom nagibu do 8 stupnjeva pri punom teretu od 120 kg, provjereno vožnjom po nagnutoj podlozi“ — jest. Prva rečenica se ne može ni ispuniti ni opovrgnuti, druga se može izmjeriti.
Svaki od šest zahtjeva ima svoje značenje, svoju mjeru i svoj tipičan način na koji se pokvari. Klikni zahtjev.
Zadnji redak u svakome opisu — plaća se — najvažniji je dio jedinice. Nijedan se zahtjev ne može podići bez posljedice. Veća prohodnost znači veće kotače, veći kotači znače više težište, a više težište znači manju bočnu stabilnost. Tako je u svakome paru.
Stabilnost je jedini zahtjev koji se da izvesti iz geometrije, bez ijednoga mjerenja na stroju. Spoji se na podlogu preko onoga što je dodiruje: kotača, stopala, gusjenica. Ako se te dodirne točke spoje crtama tako da nastane najmanji lik koji ih sve obuhvaća, dobije se potporni poligon.
Pravilo je jednostavno: dok okomica spuštena iz težišta pada unutar toga lika, robot stoji. Čim izađe iz njega, robot se prevrće. Sve ostalo — broj kotača, raspored nogu, visina tereta — samo su načini da se taj lik poveća ili da se težište spusti.
Povuci klizače i gledaj gdje pada okomica iz težišta.
Iz istoga se crteža izvodi i jednostavan račun. Vozilo se prevrće kad je tangens kuta nagiba veći od omjera polovice razmaka kotača i visine težišta. Vozilo s razmakom kotača 60 cm i težištem na 40 cm prevrće se na nagibu od oko 37 stupnjeva; podigne li se težište na 80 cm, granica pada na oko 21 stupanj. Zato se baterija — najteži pojedinačni dio — gotovo uvijek ugrađuje što niže.
Sve dosad rečeno vrijedi za statičku stabilnost: robot stoji ili se giba tako sporo da se ubrzanja mogu zanemariti. Postoji i dinamička stabilnost, kod koje okomica iz težišta povremeno izlazi iz potpornoga poligona, a robot se ne prevrće jer to ispravlja gibanjem — kao čovjek u hodu, koji je pola vremena u padu koji zaustavlja sljedećim korakom. Dinamička stabilnost omogućuje mnogo brže i prohodnije gibanje, ali zahtijeva stalnu regulaciju: nestane li napajanje, robot padne. Statički stabilan robot u istome slučaju samo stane.
Iskoristivost energije nije pojam nego račun, i taj se račun radi prije svake nabave. Pitanje glasi: kolika je sila potrebna da vozilo zadane mase vozi zadanom brzinom po zadanoj podlozi, i koliku snagu za to treba pogon. Odgovor se sastoji od tri pribrojnika.
Fk = fk · m · g · cos α — otpor kotrljanja, gdje je fk bezdimenzijski koeficijent otpora kotrljanja, koji ovisi o podlozi i kotaču.
Fu = m · g · sin α — sila uspona, onaj dio težine koji vuče vozilo niz nagib.
Fa = m · a — sila ubrzanja, potrebna samo dok se brzina mijenja.
Ukupna vučna sila zbroj je tih triju, a snaga je umnožak vučne sile i brzine: P = F · v. Iz vučne sile izlazi i potreban moment na pogonskome kotaču, kao umnožak sile i polumjera kotača podijeljen brojem pogonskih kotača.
Odaberi podlogu, pa povuci klizače.
Iz računa se čitaju tri stvari koje se u katalozima ne vide. Prva: nagib preuzima račun. Već na tri stupnja sila uspona prestigne otpor kotrljanja po glatkome betonu, a na deset stupnjeva je nekoliko puta veća. Rampa koja čovjeku ne smeta može udvostručiti potrošnju vozila.
Druga: podloga je važnija od brzine. Prijelaz s epoksidnoga poda na tepih podiže koeficijent otpora četiri do pet puta, a to je ista promjena kao da se masa vozila učetverostručila. Zato se podloga na kojoj će vozilo raditi mjeri, a ne pretpostavlja.
Treća: snaga pogona nije ukupna potrošnja. Računalo, osjetila, upravljačka elektronika i grijanje troše i dok vozilo stoji, pa se kod sporih vozila ta stalna potrošnja lako izjednači s potrošnjom pogona. Domet se zato računa iz ukupne prosječne snage kroz smjenu, izmjerene na stvarnome zadatku.
Kad se izvedbe uspoređuju međusobno, vati ne pomažu: veći robot troši više, a da nije ni bolji ni lošiji. Zato se uvodi bezdimenzijska mjera ε = P / (m · g · v), koja govori koliko je puta veća snaga potrebna za gibanje od one koja bi bila potrebna za podizanje iste mase istom brzinom. Manji je bolji. Kotač na tvrdoj ravnoj podlozi daje oko 0,1 do 0,3, gusjenica tri do pet puta više, hodanje redovito prelazi 1, a vlak na tračnicama spušta se ispod 0,05. Na ravnome je ε jednaka upravo koeficijentu otpora kotrljanja — što se vidi i u računu iznad.
Prohodnost je sposobnost svladavanja onoga što podloga stavlja pred vozilo. Opisuje se s četiri broja, i sva se četiri mogu izmjeriti metrom na mjestu gdje će robot raditi.
U zatvorenome prostoru gotovo uvijek presuđuju posljednja dva. Visina praga od nekoliko milimetara nije problem ni za najjeftinije vozilo, ali hodnik uži od zbroja širine vozila i dvaput sigurnosnoga razmaka jest — i ne rješava se boljim pogonom nego preuređenjem prostora ili manjim vozilom.
Fotografija istoga hodnika s ucrtanim mjerama: širina prolaza, sigurnosni razmak sa svake strane, visina praga na vratima i mjesto na kojem vozilo mora zakrenuti, s naznačenim polumjerom zaokretanja.
Uz šest zahtjeva i četiri glavne izvedbe dobije se tablica koja u jednome pogledu pokazuje zašto u pogonima prevladavaju kotači, a u istraživanju noge.
| Zahtjev | Kotači | Gusjenice | Noge | Let |
|---|---|---|---|---|
| Stabilnost | visoka, statička | vrlo visoka | ovisi o hodu i broju nogu | samo dinamička, uz stalnu regulaciju |
| Prohodnost | ograničena pragom i nagibom | velika, i po mekanoj podlozi | najveća: stube, kamenje, jarci | zapreke na tlu nebitne |
| Energija | najbolja, ε ≈ 0,1 – 0,3 | 3 – 5 puta lošija | ε > 1 | najlošija, troši i dok lebdi |
| Upravljivost | od dobre do potpune | okreće se u mjestu, ali struže | vrlo dobra | potpuna u prostoru |
| Nosivost | velika uz malu masu vozila | najveća | mala u odnosu na vlastitu masu | najmanja |
| Točnost | dobra, mjerljiva enkoderima | slabija zbog proklizavanja | slabija, korak nije ponovljiv | najslabija bez vanjske reference |
| Složenost i cijena | najmanja | srednja, uz trošenje gusjenica | najveća | srednja, uz kratko vrijeme rada |
Iz tablice se čita i pravilo koje vrijedi izvan robotike: izvedba se bira prema onome što je u zadatku najstrože, a ne prema onome što je najzanimljivije. Ako je najstrože vrijeme rada bez punjenja, kotači pobjeđuju prije nego što je rasprava počela. Ako su najstrože stube na koje se ne smije dirati, kotači ispadaju iz igre bez obzira na sve ostalo.
Kad su zahtjevi zapisani s brojevima, odabir izvedbe prestaje biti rasprava i postaje postupak.
Postupak se čini opširnim, ali se za tipičan zadatak prođe u jedan radni dan. Usporedba s vremenom koje se gubi na pogrešno odabranu izvedbu — mjeseci, i cijena vozila — govori sama za sebe.
Zahtjevi na gibanje svode se na šest mjerljivih svojstava: stabilnost, prohodnost, iskoristivost energije, upravljivost, nosivost i točnost. Nijedno se ne može podići bez da se neko drugo spusti, pa je odabir izvedbe uvijek odabir onoga što se žrtvuje. Stabilnost se izvodi iz potpornoga poligona i položaja težišta, potrošnja se uspoređuje specifičnom otpornošću, a prohodnost s četiri mjere koje se uzimaju metrom na licu mjesta.
Sljedeće tri jedinice prolaze kroz izvedbe redom: noge, kotače i let. Svaka se čita s ovom tablicom pri ruci.
Odgovor se zaključava nakon prvoga klika, uz objašnjenje zašto je točan.