Design and building of a spherical wheel for robotic locomotion + some designs for LOCOBOT

The wheel is probably the most important mechanical invention of all time. Nowadays there are different kind of wheels used in different applications. Recently some studies on new generation of wheels which can provide and Omnidirectional Holonomic motion have been done and some designs and prototypes have been presented all over the world. Most of these designs are based on using Omni-Wheels to drive an omnidirectional moving robot. On the other hand The best shape for a wheel to be able to provide omnidirectional holonomic motion is SPHERE although mechanically it is hard to be implemented. A Spherical Wheel can provide omnidirectional and holonomic motion for vehicles and omnimobile robots. A Robot using this kind of wheels can perform simultaneously longitudinal, translational and rotational motions, providing full mobility. This thesis presents a new driving mechanism for Spherical Wheels including a built Prototype (With a single Spherical Wheel). The concept is based on driving a Sphere in all directions using friction force. The Sphere in contact with the ground provides the robot multidirectional and smooth motion. In this design friction force is provided by a new omni-chain mechanism in contact with the Sphere. Real tests and simulations have been performed on current prototype and more efficient future works are presented based on results we gained.

La ruota è probabilmente la più importante invenzione meccanica di tutti i tempi. Ad oggi ne esistono diverse tipologie, utilizzate per svariate applicazioni. Recentemente sono stati condotti alcuni studi su nuove generazioni di ruote in grado di consentire un movimento del veicolo olonomico ed omnidirezionale, ed alcuni disegni, nonché prototipi, sono stati presentati in tutto il mondo. La maggior parte di questi modelli si basano sull’impiego di ruote del tipo Omni-Wheels, che consentono al robot di muoversi in tutte le direzioni. D'altra parte, la forma più adatta a soddisfare tali specifiche è la SFERA, sebbene sia meccanicamente difficile da realizzare il sistema per controllarne il movimento. Una Ruota Sferica è in grado di consentire un movimento omnidirezionale ed olonomo sia dei veicoli che dei robot. Quest’ultimi, adottando questa tipologia di ruote, sono pertanto in grado di eseguire contemporaneamente movimenti longitudinali, di traslazione e di rotazione, ovvero hanno una mobilità completa. In questo lavoro di tesi viene presentato un nuovo meccanismo di controllo per una ruota sferica, di cui è stato inoltre realizzato un prototipo (basato sull’utilizzo di una singola ruota sferica). Il concetto alla base del suddetto meccanismo è quello di controllare il movimento di una Sfera, in tutte le possibili direzioni, mediante la forza di attrito. La sfera, a contatto con il terreno, permette un movimento del robot multi-direzionale e fluido. Nel sistema presentato in questa trattazione la forza di attrito è fornita da un nuovo meccanismo omni-chain a contatto con la sfera stessa. Test sperimentali e simulazioni sono state condotte sul prototipo proposto e possibili lavori futuri più performanti sono discussi sulla base dei risultati ottenuti.