اختصاصی شبکه علمی ثریا- محققان دانشگاه( RWTH) آخن به طور مستقل روی چرخ‌هایی با واکنش پرشی کار می کنند. این ربات منحصر به فرد با استفاده ترکیبی از اجزای خارج از قفسه و چاپ سه بعدی ساخته شده است. رنه گیست، عضو تیم تریمپ در آخن و محقق اصلی در چرخ‌بوت گفت: گروه تحقیقاتی ما در تقاطع علم داده ها و مهندسی کار می‌کند. یک جهت خاص از تحقیقات ما بر ترکیب بینش‌های نظریه کنترل با یادگیری ماشینی متمرکز است. نمونه های آزمایشی مانند آونگ‌ها، بازوهای روباتی و کوادکوپترها به ما کمک می‌کنند تا بررسی کنیم که آیا مفروضات نظری می توانند زیربنای یک الگوریتم در واقعیت عملی باشند یا خیر ، این کار ما را مجبور می کند خارج از چارچوب فکر کنیم.
دو نمونه دیگر از چنین بسترهای آزمایشی( مکعب متعادل کننده) و هم نسل آن (کوبلی) هستند. این دو سیستم اغلب به ارزیابی اثربخشی سیستم های کنترل شبکه و روش های داده محور برای دستیابی به کنترل غیرخطی کمک می کنند. کار اخیر گیست و همکارانش بر تلاش در این زمینه بنا شده است. هدف آنها توسعه یک ربات تک چرخ مینیمالیستی بود که بتواند به عنوان یک بستر آزمایشی توسط رباتیک‌ها و دانشمندان کامپیوتر در سراسر جهان استفاده شود. برای انجام این کار گست و گروه تحقیقاتی او در دانشگاه( RWTH) آخن با جاناتان فاین، رئیس آزمایشگاه رباتیک (ZWE ) متحد شدند.
در اوایل پروژه، آنها استفاده از موتورهای براشلس را انتخاب کردند، زیرا گروه رباتیک( ZWE) تجربه زیادی در استفاده از آنهاو ابتکار عمل ربات پویا داشتند، این در حالی بود که قیمت موتورهای براشلس سبک وزن به دلیل انطباق گسترده با کوادکوپترها در مصرف بسیار مقرون به صرفه بود. گست گفت: وقتی به یک موتور نگاه می کنید، مسلما ساده ترین محرکی که می توانید به آن دست بیابید این است که یک چرخ را به آن وصل کنید. اگر چنین چرخی با زمین برخورد کند، آن را چرخ غلتشی می نامیم و اگر اینطور نباشد آن را به عنوان یک چرخ واکنش معرفی می کنیم. تعادل یک ربات تک بدنه و غیر پرنده با توانایی رانندگی و انجام مانور معمولاً به حداقل دو چرخ نیاز دارد. اینها می‌توانند چرخهای غلتشی باشند یا یک چرخ غلتان منفرد و یک چرخ واکنش که منجر به چیزی می‌شود که به عنوان «چرخ واکنش» یا «تبادل لحظه» شناخته می‌شود.
ربات‌های تکچرخهای که چرخهای واکنش را در آنها یکپارچه می‌کنند، طرح‌های بسیار ساده‌ای دارند و می‌توانند به راحتی توسط رباتیک‌های متخصص و دانش‌آموزان مونتاژ شوند. با وجود سادگی، کنترل تک چرخ هایی با چرخ واکنش بسیار دشوار است. این امر آنها را به بسترهای آزمایشی مطلوبی برای تحقیق در مورد شبکه های ربات و روش های کنترل مبتنی بر یادگیری تبدیل می کند. روبات‌های تک چرخهای که قبلاً پیشنهاد شده و طراحی شده‌اند صرفاً در اطراف موقعیت تعادل عمودی خود تعادل برقرار می کنند که به طور قابل‌توجهی کاری را که می‌توان با این سیستم‌ها انجام داد محدود می‌کند.
برای به حداکثر رساندن کاربرد یک ربات تک چرخه با چرخ واکنش (Wheelbot) تصمیم گرفته شدتا از وجود اختلالات نسبتاً بزرگ در آن جلوگیری شود و دارای منبع تغذیه داخلی باشد تا از وجود کابل‌ها که قدرت مانور آن را محدود می‌کند رهایی یابد.
مانند تمام چرخهای تک‌چرخه (Wheelbot)نیز دارای یک چرخ غلتشی است که در حین حرکت طولی از واژگون شدن آن جلوگیری می‌کند. با این حال، برخلاف تک چرخ‌ها، این ربات یک چرخ واکنش را نیز در خود ادغام می‌کند که از واژگونی آن در جهت جانبی نیز جلوگیری می‌کند. برای درک عملکرد درونی چرخ واکنش می توانید یک آزمایش ساده در خانه انجام دهید. تنها چیزی که نیاز دارید یک صندلی چرخان و یک جسم نسبتاً سنگین مانند گربه است. با زانو روی صندلی بنشینید و در حالی که گربه را نگه داشته اید بازوهای خود را صاف کنید، سپس بالاتنه خود را در جهت عقربه های ساعت بچرخانید. متوجه خواهید شد که زانوهای شما بر خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخند. در این آزمایش بالاتنه شما نشان دهنده روتور موتور و پایین تنه شما نشان دهنده استاتور موتور است.
اساساً در چرخهای واکنش، وقتی روتور موتور (که به چرخ متصل است) در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد، استاتور موتور (که به بقیه چرخهای چرخ متصل است) خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد. ربات هایی که با استفاده از چرخ واکنش تعادل برقرار می کنند با ربات هایی که برای حفظ تعادل به ژیروسکوپ متوسل می شوند متفاوت هستند. در یک ژیروسکوپ، یک چرخ با چرخش تند به صورت تعاملی در رابطه با جهت چرخش خود می چرخد و به دلیل حفظ تکانه زاویه ای گشتاورهای متعادل کننده ایجاد می کند.
در چرخ واکنش هم این اثرات رخ می دهد اما در مقایسه با گشتاور واکنش بسیار ناچیز است. گشتاورهای واکنش مستقیماً در داخل چرخ ایجاد می شوند و موازی با جهت چرخش چرخ هستند. گشتاورهای واکنش باید (Wheelbot) را ۹۰ درجه در طول مانور موتوربچرخانند. برای یک ربات بزرگ ۲۲ سانتی متری (۸/۷ اینچی) موتورها در واقع کاملاً در فشار دارند و ما را مجبور می کند از یک کنترل کننده موتور طراحی شده و سفارشی استفاده کنیم. با این که کنترل کننده های موتور در بازار موجود بودند اما یا خیلی بزرگ بودند یا نمی توانستند جریان کافی را در ولتاژ داده شده تحمل کنند.
در ولتاژ ۱۶ آمپر محققان دریافتند که موتوری که (Wheelbot )را به حرکت در می آورد تنها در ۰/۲۵ ثانیه به حد مجاز سرعت خود رسیده است. با توجه به این محدودیت و چالش‌های دیگری که معمولاً هنگام ساخت تکچرخهای مبتنی بر چرخ واکنش با آن مواجه می‌شوند گست و همکارانش تصمیم گرفتند یک طرح کاملاً جدید برای ربات خود طراحی کنند. گست گفت: اول، ما تصمیم گرفتیم که ربات باید متقارن باشد پس به طور موثر تعداد قسمت های مختلف را کاهش دادیم. این به (Wheelbot) اجازه می داد تا از هر یک از چرخ های خود به عنوان چرخ غلتان استفاده کند. تقارن این مزیت اضافی را دارد که چرخ بالایی در مقایسه با ربات های تک چرخه موجود به طور قابل توجهی کوچکتر است که اینرسی چرخشی آن را در جهت انحراف کاهش می دهد. دوم، ما ابعاد ربات را به گونه ای طراحی کردیم که گشتاور مورد نیاز برای خود نصب را به حداقل برسانیم.
در آزمایشات اولیه، محققان دریافتند که نسخه استاندارد ربات آنها می تواند در دو مرحله از هر موقعیت اولیه روی چرخ های خود بپرد. این به ربات اجازه می دهد تا چرخ واکنش خود را قبل از تکمیل مرحله دوم و آخر (یعنی پریدن به بالا) کاهش دهد.
گست و همکارانش علاوه بر ایجاد نمونه اولیه از ربات خود یک تخمین‌گر سفارشی نیز ایجاد کردند، الگوریتمی که می‌توانست زوایای چرخش و گام ربات را تخمین بزند. این سیستم تخمین‌های خود را از اندازه‌گیری‌های چهار واحد اندازه‌گیری اینرسی (IMU) و رمزگذار چرخهای ربات به‌دست می‌آورد که تنها بر اساس دانش قبلی و موجود در مورد مدل به اصطلاح سینماتیک ربات است.
گست گفت: ما فکر می‌کنیم که در مورد روبات‌های چرخدار ( Ballbots) برآوردگر پیشنهادی ما جایگزین جالبی برای سایر الگوریتم‌های تخمین مانند فیلتر کالمن است. (Wheelbot )نشان می‌دهد که انتخاب مختصر ابعاد و سخت‌افزار ربات تک چرخه با چرخ واکنش، یک بستر آزمایشی همه کاره برای کنترل روباتیک ایجاد می‌کند. گست و همکارانش اولین کسانی بودند که ربات تک چرخه ای را ایجاد کردند که می تواند به طور موثر از هر موقعیت اولیه روی چرخ های خود بپرد. بنابراین آنها سهم مهمی در زمینه رباتیک دارند زیرا چالش‌های الکترونیکی و مکانیکی را که معمولاً هنگام ایجاد این نوع جدید از تک چرخهای مبتنی بر چرخ واکنش با آن مواجه می‌شوند را حل کرده اند.
علاوه بر اینکه (Wheelbot) یک بستر آزمایشی چالش برانگیز برای کنترل ربات است پتانسیل بزرگی را به عنوان یک پلت فرم آموزشی که دانش آموزان را با رباتیک آشنا می کند دارا است.( Wheelbot) نمونه ای معمولی برای نشان دادن ماهیت بین رشته ای در رباتیک است. علاوه بر طراحی مکانیکی آن مدل سازی و شبیه سازی دینامیکی بسیار جالب ربات است، جریان بالای موتورهای آن چالش های قابل توجهی را در طراحی الکترونیکی آن ایجاد می کند. این ربات در آینده می تواند در تنظیمات آموزشی و تحقیقاتی و همچنین برای آزمایش شبکه‌های کنترل رباتیک، الگوریتم‌های یادگیری ماشین و سایر مدل‌ها استفاده شود. مزیت کلیدی این ربات این است که عملکرد آن فقط به دانش اولیه مهندسی نرم افزار نیاز دارد که آن را به یک پلت فرم آزمایشی ایده آل برای دانشجویان و مهندسانی تبدیل می کند که اولین قدم های خود را در رباتیک بر می دارند.
محققان تیم اکنون روی نسخه جدیدی از ربات خود به نام (Wheelbot v3 )کار می کنند. هدف اصلی این است که ربات بیشتر در دسترس قرار گیرد به طوری که ساخت، استفاده و آزمایش با آن آسان تر باشد. گست گفت: نسخه بعدی (Wheelbot) کمی کوچکتر از نسخه فعلی خواهد بود و از یک میکروکنترلر قدرتمندتر استفاده می کند و از نظر طراحی سیستم عامل کار با آن آسان تر است. علاوه بر این ما در حال حاضر روی یک الگوریتم کنترل کار می کنیم که (Wheelbot) را در یک مسیر از پیش تعریف شده هدایت می کند. پس از ساخت اولین ربات چرخ واکنش پرش، ما هیجان زده هستیم که نشان دهیم (Wheelbot ) قادر به انجام مانورهای رانندگی هم هست.