É melhor ter o peso distribuído sobre as rodas ou o centro do robô?

Ao projetar um robô padrão de 4 ou 6 rodas, é melhor distribuir o peso principalmente no centro do robô ou sobre as rodas, ou não há diferença?

Especificamente, qual distribuição de peso tornará menos provável que o robô tombe?

Supondo que seja um robô rígido, as únicas propriedades de peso de interesse são:

• a massa total
• o centro de massa

Em termos de tombamento, o robô é mais estável se o ângulo necessário antes do tombamento for maximizado. Isso é obtido com um baixo centro de massa e um centro de massa o mais longe possível das bordas do polígono de suporte .

Intuitivamente, você pode ver que, se o centro de massa estiver próximo ao centro do robô, ele será mais estável. Mais formalmente, se você considerar cada roda o vértice de um polígono (de uma vista superior), verá um polígono de suporte. Você pode designar o centro como o ponto mais distante de uma aresta.

Outra maneira de aumentar a estabilidade é aumentar o tamanho do polígono de suporte - ou seja, posicionar as rodas mais afastadas para formar uma base larga. A adição de mais rodas também pode aumentar o tamanho do polígono de suporte, embora isso atinja principalmente os robôs de três rodas, que possuem um polígono de suporte bastante pequeno em relação à distância entre as rodas.

O ângulo necessário para a inclinação do robô pode depender da direção da inclinação. Se houver movimento nessa direção, os distúrbios são mais prováveis ​​nessa direção. É por isso que os carros são mais estáveis ​​para frente / para trás, em comparação com os lados (eixo do rolo), com as rodas dianteiras mais afastadas das rodas traseiras em comparação com a distância entre as rodas esquerda e direita.

A massa total do robô também é um fator. Se o robô for mais pesado, será necessária uma força perturbadora maior para inclinar o robô no ângulo necessário antes de continuar a tombar. Dito isto, é improvável que você queira simplesmente aumentar a massa do robô, portanto:

• tente colocar componentes mais pesados ​​mais baixos (as baterias podem ser bastante pesadas)
• aumente o tamanho do polígono de suporte (rodas mais afastadas ou 4 rodas em vez de 3).

Só para adicionar um pouco a excelente resposta de ronalchn :

Alterar a distribuição de peso no robô de uma maneira que não mude a posição do centro de massa afetará a Momento de Inércia , que por sua vez afetará a capacidade do robô de acelerar sua taxa de rotação.

Para a maioria dos robôs que rodam junto, é improvável que seja um problema. No entanto, eu poderia imaginar que, por um robô extremamente dinâmico, que viaja muito rapidamente e faz curvas fechadas, ser capaz de girar seu corpo rapidamente pode ser uma vantagem, e pode até ser capaz de evitar a queda em alguns casos extremos.

Portanto, concentrar a massa perto do centro seria melhor para esse tipo de robô.