Omnidirectionele wielen: rijden in élke richting, zonder te sturen
Een gewoon wiel kan maar één ding echt goed: vooruit of achteruit rollen. Wil een auto zijwaarts de weg op, dan moet hij eerst sturen en dan pas rijden. Omnidirectionele wielen doorbreken die beperking. Het zijn wielen die, dankzij kleine rollertjes op hun rand, in vrijwel elke richting kunnen bewegen zonder dat het voertuig eerst hoeft te draaien. Een robot of wagentje op zulke wielen kan zo naar links glijden, diagonaal wegrijden of om zijn as draaien terwijl hij op dezelfde plek blijft staan.
Denk aan een winkelwagentje met van die stroeve, vastlopende zwenkwieltjes die je moeilijk zijwaarts kunt duwen. Omnidirectionele wielen doen precies het tegenovergestelde: ze maken zijwaarts bewegen net zo makkelijk als vooruit rijden. Een bekend, alledaags voorbeeld dat in de buurt komt is de rollende bal onder een ouderwetse computermuis, of de kleine balletjes onder een bagagekar die je in alle richtingen kunt duwen. Bij omnidirectionele wielen zit dat vermogen om zijwaarts te 'glijden' in het wiel zelf verwerkt, in plaats van in een los balletje.
Wat is het precies?
De truc zit in kleine rollertjes die rond de rand van het hoofdwiel zijn gemonteerd. Terwijl het hoofdwiel door een motor wordt aangedreven en dus normaal vooruit of achteruit zou rollen, kunnen die kleine rollertjes vrij meedraaien in een andere richting. Het resultaat is een wiel dat twee bewegingen tegelijk kan uitvoeren: de aandrijving van het hoofdwiel én de vrije rolbeweging van de rollertjes.
Er bestaan twee hoofdtypen. Bij het zogeheten Mecanum-wiel staan de rollertjes onder een hoek van ongeveer 45 graden ten opzichte van de wielas. Bij het zogeheten omniwiel (soms polywiel genoemd) staan de rollertjes juist haaks, op 90 graden, op de wielas. Beide types worden meestal in groepen van drie of vier gebruikt, elk apart aangedreven door een eigen motor.
De kunst zit in het combineren van de krachten van al die wielen. Door elk wiel met een andere snelheid en soms in een andere draairichting te laten draaien, tellen de kleine zijwaartse en voorwaartse krachtcomponenten van elk wiel bij elkaar op tot één totale beweging. Draaien alle vier de wielen even hard vooruit, dan rijdt het voertuig recht vooruit. Draaien de wielen aan de ene kant vooruit en aan de andere kant achteruit, dan draait het voertuig om zijn as. Met de juiste verhouding tussen de wielen kan het voertuig ook zuiver zijwaarts of diagonaal bewegen. Techneuten noemen dit vermogen om in élke richting te bewegen, inclusief draaien op de plek, 'holonome beweging'.
Belangrijk is dat er geen apart stuurmechanisme nodig is, zoals bij een auto. De besturing gebeurt volledig elektronisch, door een computer die continu berekent hoe hard en in welke richting elk van de wielmotoren moet draaien om de gewenste beweging te krijgen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is manoeuvreerbaarheid in krappe ruimtes. Een gewoon voertuig heeft vaak meerdere achteruit-en-vooruit-bewegingen nodig om in een kleine ruimte te draaien of te parkeren, zoals bij het inparkeren van een auto. Een voertuig met omnidirectionele wielen kan in één vloeiende beweging zijwaarts een gang in schuiven of tussen dicht opeengepakte rekken door manoeuvreren.
Dat is vooral waardevol in omgevingen waar de ruimte schaars is: magazijnen, fabrieken, ziekenhuizen en de nauwe gangpaden van kantoren. Ook in de robotica is het aantrekkelijk, omdat een robot die vrij in elke richting kan bewegen eenvoudiger te programmeren en te besturen is dan een robot die eerst moet draaien voordat hij een kant op kan.
Een tweede reden is precisie. Omdat de beweging in elke richting los van elkaar is te sturen, kunnen voertuigen op omnidirectionele wielen zeer nauwkeurig gepositioneerd worden, wat handig is bij het precies plaatsen van zware lasten of bij taken waar millimeterwerk telt.
Tot slot spelen ook toegankelijkheid en comfort een rol, bijvoorbeeld bij onderzoek naar rolstoelen die zonder draaibeweging zijwaarts een deuropening in kunnen, wat voor gebruikers met beperkte bewegingsruimte in huis een reëel verschil kan maken.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Mecanum-wiel is uitgevonden door de Zweedse ingenieur Bengt Ilon, die begin jaren zeventig voor het bedrijf Mecanum AB werkte en in 1973 een patent aanvroeg. Zijn naam leeft voort in de naam van het wiel.
Een bekend industrieel voorbeeld is het zware transportplatform omniMove van het Duitse robotica- en automatiseringsbedrijf KUKA. Dit platform, uitgerust met grote Mecanum-wielen, wordt door de vliegtuigbouwer Airbus gebruikt om zware romp- en vleugelsecties in de fabriekshal te verplaatsen. Dankzij de zijwaartse beweeglijkheid kunnen deze platformen grote onderdelen tussen krappe productielijnen manoeuvreren zonder dat er ruimte nodig is om te keren.
In de logistiek werden begin jaren 2000 door het Amerikaanse bedrijf Airtrax vorkheftrucks op de markt gebracht die dankzij Mecanum-wielen zijwaarts konden rijden, bedoeld om in smalle magazijngangen te kunnen manoeuvreren zonder de gang breder te hoeven maken.
In de sportrobotica is het omniwiel al decennialang gangbaar: in de RoboCup Small Size League, een internationale robotvoetbalcompetitie die sinds de jaren negentig bestaat, rijden de kleine robotjes standaard op drie of vier omniwielen, juist omdat ze daardoor razendsnel van richting kunnen veranderen zonder eerst te hoeven draaien.
Ook in de zorgrobotica duikt de techniek op. Toyota ontwikkelt sinds ongeveer 2012 de Human Support Robot (HSR), een huishoudelijke assistentierobot met een omnidirectionele wielbasis, die onder meer wordt ingezet in onderzoek naar zorg voor ouderen en mensen met een beperking, en die als onderzoeksplatform wordt gebruikt door universiteiten wereldwijd.
Hoe ver is de techniek?
Omnidirectionele wielen zijn geen nieuwe uitvinding meer; het basisprincipe bestaat al ruim vijftig jaar en wordt in specifieke niches al decennialang commercieel toegepast, met name in de interne logistiek, zware industrie en robotica-onderzoek. In die zin is de technologie volwassen.
Toch is het geen wijdverspreide standaard geworden voor auto's of alledaagse voertuigen, en daar zijn duidelijke technische redenen voor. De vele kleine rollertjes maken het wiel mechanisch complexer en kwetsbaarder dan een gewoon wiel: ze slijten, kunnen vastlopen door vuil, zand of kleine stenen, en zijn minder geschikt voor oneffen of ruw buitenterrein. Ook is de energie-efficiëntie lager, omdat een deel van de aandrijfkracht verloren gaat in de zijwaartse rolbeweging van de rollertjes, en is het draagvermogen per wiel doorgaans kleiner dan bij een even groot gewoon wiel. Daarom blijft de toepassing vooral beperkt tot gladde, vlakke ondergronden zoals fabrieksvloeren en magazijnen.
Recent onderzoek richt zich vooral op het robuuster en slijtvaster maken van de rollertjes, op betere regelalgoritmes om meerdere wielen vloeiender te synchroniseren, en op toepassing in nieuwe domeinen zoals landbouwrobots en verkenningsrobots voor moeilijk toegankelijke omgevingen. Van een doorbraak die de techniek geschikt maakt voor ruw buitenterrein of hogesnelheidstoepassingen is vooralsnog geen sprake; de fysieke beperkingen van de kleine rollertjes blijven een fundamentele hindernis.
Wie werken eraan?
KUKA, opgericht in Duitsland en tegenwoordig onderdeel van het Chinese Midea-concern, is een van de bekendste industriële toepassers van zware Mecanum-wielsystemen. Toyota onderzoekt en ontwikkelt de techniek in Japan voor zorg- en assistentierobots. Gespecialiseerde fabrikanten zoals het Australische Rotacaster maken omniwielen als los onderdeel, die door andere bedrijven worden ingebouwd in bijvoorbeeld ziekenhuisbedden, transportkarren en industriële robots.
Daarnaast wordt er wereldwijd aan universiteiten en technische onderzoeksinstituten gewerkt aan verbeteringen van de wielregeling en -constructie, vaak in de context van bredere robotica-programma's. De RoboCup-gemeenschap, met deelnemende teams van universiteiten over de hele wereld, functioneert al jaren als een soort informele testomgeving waarin ontwerpen voor omniwielen continu worden verfijnd. Ook in de opleidingsrobotica, bijvoorbeeld in wedstrijdplatforms voor middelbare scholieren en studenten, zijn omniwielen inmiddels een veelgebruikt en betaalbaar bouwblok geworden.