AT521087B1 - Mobiles System - Google Patents

Abstract

Mobiles System (1) beweglich relativ zu einer Oberfläche zumindest in eine Vorwärtsrichtung (4) aufweisend ein Grundgerüst (2), einen ersten Längsträger (11), der über eine erste Schwenkverbindung (10) schwenkbar mit dem Grundgerüst (2) verbunden ist, einen zweiten Längsträger (21), der über eine zweite Schwenkverbindung (20) schwenkbar verbunden ist, ein erstes Rad (14), das über eine erste Drehverbindung (13) drehbar mit dem ersten Längsträger (11) verbunden ist, und ein zweites Rad (24), das über eine zweite Drehverbindung (23) drehbar mit dem zweiten Längsträger (21) verbunden ist, wobei die Verschwenkbewegungen der ersten und zweiten Schwenkverbindung (10, 20) geregelt steuerbar sind, die erste Drehverbindung (13) einen ersten Radantrieb aufweist, mit dem das erste Rad (14) geregelt antreibbar ist und sich die erste Drehverbindung (13) hinter der ersten Schwenkverbindung (10) bezogen auf die Vorwärtsrichtung (4) und die zweite Drehverbindung (23) hinter der zweiten Schwenkverbindung (20) bezogen auf die Vorwärtsrichtung (4) befinden.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein mobiles System beweglich relativ zu einer Oberfläche zumindest in eine Vorwärtsrichtung aufweisend ein Grundgerüst, einen ersten Längsträger, der über eine erste Schwenkverbindung um eine Achse im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst verbunden ist, einen zweiten Längsträger, der über eine zweite Schwenkverbindung um eine Achse im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst verbunden ist, ein erstes Rad, das über eine erste Drehverbindung um eine Achse im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des ersten Längsträgers drehbar mit dem ersten Längsträger, d.h. insbesondere normal zur Vorwärtsrichtung, verbunden ist, und ein zweites Rad, das über eine zweite Drehverbindung um eine Achse im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des zweiten Längsträger, d.h. insbesondere normal zur Vorwärtsrichtung, drehbar mit dem zweiten Längsträger verbunden ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines mobilen Systems, das relativ zu einer Oberfläche zumindest in eine Vorwärtsrichtung beweglich ist, wobei das mobile System ein Grundgerüst, einen ersten Längsträger, der über eine erste Schwenkverbindung um eine Achse im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst verbunden ist, einen zweiten Längsträger, der über eine zweite Schwenkverbindung um eine Achse im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst verbunden ist, ein erstes Rad, das über eine erste Drehverbindung um eine Achse im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des ersten Längsträgers drehbar mit dem ersten Längsträger verbunden ist, ein zweites Rad, das über eine zweite Drehverbindung um eine Achse im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des zweiten Längsträgers drehbar mit dem zweiten Längsträger verbunden ist, aufweist.

[0002] Standardmäßig werden heutzutage für mobile Systeme, insbesondere für mobile Roboter, zwei Antriebsräder in einem Differentialantrieb verwendet. Dadurch kann sich das Fahrzeug um jeden Punkt auf der Achse durch die Räder drehen. Alternativ werden aber auch Independent Steering Wheels, d.h. unabhängig zu steuernde Lenkräder, oder Mecanum-Räder, die omnidirektionale Fahrrichtungen erlauben, verwendet, insbesondere wenn sich das Fahrzeug auch während der Fahrt drehen können soll.

[0003] Mobile System benötigen häufig ein großes Maß an Bewegungsfreiheit um ihrer Aufgabe gerecht werden zu können. Solche mobilen Systeme verwenden häufig einen synchronisierten Antriebsmechanismus, über den den Rädern durch eine komplexes Getriebesystem bestimmte einschränkende Bedingungen bezüglich des Lenk- und Bewegungsausschlags vorgegeben werden. Dies kann zwar ein hohes Maß an Manövrierfähigkeit erlauben, die mechanische Komplexität macht es jedoch teuer und fehleranfällig. Weiters ist diese Art von mobilen System durch die einschränkenden Bedingungen in der Beweglichkeit doch eingeschränkt.

[0004] Der Artikel „Expressive navigation and Local Path-Planning of independent steering autonomous systems“, Todoran und Bader, I ROS 2016, zeigt einen Ansatz einer lokalen Bahnplanung für eine unabhängige Vierradlenkung einer mobilen Plattform. Während gewöhnlicherweise, aufgrund der Gefahr des Bruchs mechanischer Teile während die Räder angesteuert werden, diese auf Stop-and-go-Art gelenkt werden, wird hier eine Krümmungsmittelpunktbasierte kinematische einschränkende Bedingung während einer kontinuierlichen Bewegung mit einem Flacheingabencontroller mit einer Arbeitsfrequenz von 100 Hz sichergestellt. Dadurch ist die Trajektorie des Krümmungsmittelpunkts sowohl vorhersehbar als auch passend für vorausschauende Modellsteuerung (MPC). Die implementierte MPC erzeugt mehrere Meter im Voraus optimierte kollisionsfreie Bahnen mit einer Arbeitsfrequenz von 10 Hz, vorausgesetzt einen Satz von Punkten entlang eines Weges und Laserkonturmesswerte. Dabei weißt die mobile Platform acht Antriebe - zwei für jedes Rad - auf.

[0005] Weiters zeigt der Artikel „Kinematic Analysis and Singularity Robust Path Control of a

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AT 521 087 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt

Non-Holonomic Mobile Platform with Several Steerable Driving Wheels“, Stöger, Müller und Gattringer, IROS 2015, ein Kontrollschema mit verbesserter Robustheit bezüglich kinematischer Singularitäten. Dieses basiert auf nicht-holonomische einschränkende (Beschleunigungs-) Bedingungen zweiter Ordnung. Die verbleibende Singularität wird durch reguläre Parametrisierung der Bewegung des Roboters gelöst. Des Weiteren wird ein Steuerungskonzept, das auf einer Eingabe/Ausgabe- Linearisierung hinsichtlich der Pfadparameter basiert, offenbart. Dabei weist die mobile Plattform vier Räder auf, von den zwei diagonal befestigte Räder aktuierbar sind. Diese sind zentrierte steuerbare Räder mit Gleichstrommotoren. Die beiden anderen Räder sind Lenkrollen.

[0006] Die US 9,436,926 B2 zeigt einen Roboter, der autonom zum einem Ziel navigieren kann. Dieser hat eine im Wesentlichen zylindrische Form und eine Vielzahl an bildbasierten Tiefesensoren. Das Navigieren beinhaltet das Ermitteln der Anwesenheit von Objekten im Pfad des Robotors mit zumindest einem nach vorne schauenden bildbasierten Tiefesensor.

[0007] Des Weiteren zeigt die US 5,952,796 A eine Vielzahl an möglichen Konfigurationen eines kollaborativen Roboters (cobot), der zumindest ein nicht-holonomisches Übertragungselement und eine Anzahl damit verbundener kleiner Servomotoren verwendet.

[0008] Der Artikel „Expressive Motion in Mobile Robots“, Gard Braga, 2015, beschreibt Bewegungsaudrucksmöglichkeiten eines mobilen Roboters und deren Effekt auf menschliche Reaktionen.

[0009] Schließlich zeigt die US 6,853,877 B1 eine mobile Plattform die relativ zu einer Oberfläche beweglich ist. Dabei hat ein Grundgerüst zumindest zwei Räder die verschwenkbar und verdrehbar am Grundgerüst befestigt sind, wobei jeweils die Rotations- und die Schwenkachse sich nicht schneiden. Weiters gibt es eine Antriebsvorrichtung um die Räder zu rotieren und damit über die Oberfläche zu rollen, eine Steuervorrichtung um die Räder zu Schwenken und ihre Ausrichtung bezüglich der Oberfläche zu ändern, und eine Regeleinrichtung. Die mobile Plattform weist allerdings keine Vorzugs- bzw. Vorwärtsrichtung auf, wobei die Rotations- und die Schwenkachse in einer bestimmten Weise bezogen auf diese versetzt wäre. Somit gestaltet sich die Steuerung der mobilen Plattform schwierig, woraus sich die Notwendigkeit einer leistungsfähigen Steuereinheit und die Anwendung eines komplexen Steueralgorithmus bzw. einer komplexen Regelungstechnik ergibt. Weiters ist vorgesehen, dass die Antriebsvorrichtungen beide Räder unabhängig voneinander antreiben kann.

[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge ein System zu schaffen, das unabhängige Lenkräder mit einem Offset zur Navigation, insbesondere während einer Kollision, verwendet oder damit Signale an Personen sendet und die Rotation des Aufbaues zur Interaktion mit Personen verwendet, wobei die Räder besonders günstig platziert sein sollen, so dass beispielsweise eine Kollision zu einer automatischen, d. h. mechanisch induzierten, Richtungsänderung führen kann. Weiters kann bei einem gewöhnlichen Differenzialantrieb ein Fahrzeug bei einer Kollision den Kontakt mit dem Hindernis nicht dämpfen. Es kann nur wegfahren indem die Räder angetrieben werden. Dasselbe gilt für Systeme, bei denen die Lenkachse der Räder direkt über dem Rad sitzt. Somit ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, diese Unzulänglichkeiten zu beheben und insbesondere ein System vorzugschlagen, das, ohne dass die Räder angetrieben werden müssen, den Rumpf bzw. das Grundgerüst vom Hindernis wegschwenken kann, wobei sich vorteilhafterweise dabei auch die Räder in eine günstige Fahrtrichtung vom Hindernis weg stellen sollten.

[0011] Dies wird erzielt durch ein mobiles System wie eingangs angeführt, bei dem die Verschwenkbewegungen der ersten und zweiten Schwenkverbindung geregelt steuerbar sind, die erste Drehverbindung einen ersten Radantrieb aufweist, mit dem das erste Rad geregelt antreibbar zumindest in eine Vorwärtsrichtung ist und sich die erste Drehverbindung hinter der ersten Schwenkverbindung bezogen auf die Vorwärtsrichtung und die zweite Drehverbindung hinter der zweiten Schwenkverbindung bezogen auf die Vorwärtsrichtung befinden. Weiters wird dies erzielt durch ein Verfahren zur Steuerung eines mobilen System wie eingangs definiert, wobei die erste und zweite Schwenkverbindung geregelt verschwenkt werden und das

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AT 521 087 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt erste Rad mit einem ersten Radantrieb zumindest in eine Vorwärtsrichtung geregelt angetrieben wird, wobei sich die erste Drehverbindung hinter der ersten Schwenkverbindung bezogen auf die Vorwärtsrichtung und die zweite Drehverbindung hinter der zweiten Schwenkverbindung bezogen auf die Vorwärtsrichtung befinden.

[0012] Die Vorwärtsrichtung definiert dabei vorzugsweise eine Vorwärtsrichtung bezogen auf eine Grundstellung, in der die Längsträger parallel sind und in die Richtung einer Vorderseite des Grundgerüsts zeigen. Unter „bezogen auf die Vorwärtsrichtung“ wird dabei vorzugsweise verstanden, dass sich das jeweilige Verhältnis in der Grundstellung ergibt, in der die Längsträger parallel sind und in die Richtung einer Vorderseite des Grundgerüsts zeigen. Somit können sich diese Verhältnisse, die als „bezogen auf die Vorwärtsrichtung“ bezeichnet werden, ändern, wenn die Längsträger mit den Schwenkverbindungen aus der Grundstellung verschwenkt werden.

[0013] Das beschriebene mobile System bzw. das Verfahren zur Steuerung des mobilen System erlaubt eine besonders effiziente Steuerung und Navigation insbesondere in engen Räumlichkeiten und im Umfeld von Personen. Weiters wird eine besonders sichere Steuerung, auch während eines Kontaktes des mobilen Systems mit einem Objekt, möglich. Das mobile System gewinnt gegenüber herkömmlichen mobilen Systemen weiters holonomische Eigenschaften. Diese können einem zusätzlichen Zweck zugeführt werden. Durch diese zusätzlichen Freiheitsgrade ist es möglich, Kollisionen besser zu vermeiden und mit Personen zu interagieren.

[0014] Wenn die Räder parallel stehen und mit der gleichen Fahrtgeschwindigkeit drehen, liegt der momentane Krümmungsmittelpunkt (Instantaneous Center of Curvature, ICC) bzw. das Rotationszentrum unendlich weit außerhalb des mobilen Systems und das mobile System fährt ein Gerade. Durch das aktive Verschwenken der Räder um die Schwenkachse ist es jedoch möglich, den ICC an jeden Punkt auf der Fahrebene zu legen und somit beliebige Kurven mit unterschiedlichen Ausrichtungen des Grundgerüsts zu fahren und auch während der Fahrt zu drehen. Der Raum der möglichen ICC-Positionen wird jedoch üblicherweise durch den maximalen Lenkwinkel und Singularitäten in der Regelung begrenzt.

[0015] Weiters kann die vorteilhafte Eigenschaft, dass sich die Räder bei einer Kollision in eine (günstige) Fahrtrichtung weg vom Hindernis stellen nur erreicht werden, wenn die Lenkachse der Räder (bezogen auf die Vorwärtsrichtung bzw. die Fahrtrichtung) vor dem Rad liegt. Weiters erlaubt das mobile System, dass das Grundgerüst geschwenkt werden kann, ohne dass die Fahrtrichtung verändert wird, wobei diese Fähigkeit des mobilen Systems für zusätzliche Funktionen, wie z. B. als Interface zum Signalisieren von (zukünftigen) Aktionen, insbesondere dem Anzeigen einer zukünftigen Fahrtrichtung, genützt werden kann.

[0016] Um die gewünschten holonomischen Eigenschaften zu realisieren muss nur ein Rad um die Drehachse und die dazugehörige Lenkachse sowie die zweite Lenkachse mit einem freilaufenden Rad aktuiert werden.

[0017] In einer bevorzugten Ausführungsform des mobilen Systems weist die zweite Drehverbindung einen zweiten Radantrieb auf, mit dem das zweite Rad geregelt antreibbar zumindest in eine Vorwärtsrichtung ist. Hierdurch wird die Stabilität des Gesamtsystems verbessert.

[0018] Bevorzugt sind der Abstand zwischen der ersten Drehverbindung und der ersten Schwenkverbindung und der Abstand zwischen der zweiten Drehverbindung und der zweiten Schwenkverbindung im Wesentlichen gleich. Es ist vorteilhaft, wenn der erste Längsträger im Wesentlichen gleich lang ist wie der zweite Längsträger und/oder wenn die Längsträger die gleiche Längserstreckung aufweisen. Weiters vorzugsweise sind der Durchmesser des ersten Rades und der Durchmesser des zweiten Rades im Wesentlichen gleich. Besonders bevorzugt sind die in diesem Absatz angegebenen Merkmale kombiniert. Durch diese Wahl der Merkmale erfolgt die Steuerung und das Verhalten bei Kollisionen in besonders vorteilhafter weise.

[0019] In einer bevorzugten Ausführungsform des mobilen Systems weist dieses einen dritten Längsträger auf, der über eine dritte Schwenkverbindung um eine Achse im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst verbunden ist und mit dem über eine

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AT 521 087 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt dritte Drehverbindung um eine Achse im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des dritten Längsträgers, d.h. insbesondere normal zur Vorwärtsrichtung, drehbar ein, bevorzugt freidrehendes, drittes Rad verbunden ist. Auf dieselbe Weise kann ein vierter oder weitere Längsträger, Schwenkverbindungen, Drehverbindungen, Räder vorgesehen sein, die auf dieselbe Weise Zusammenwirken wie die jeweilige dritte Instanz. Ein drittes Rad wird insbesondere zur Lastenaufnahme vorteilhaft sein.

[0020] Es ist besonders vorteilhaft, wenn die dritte Schwenkverbindung sich hinter der ersten und/oder zweiten Schwenkverbindung bezogen auf die Vorwärtsrichtung und/oder die dritte Drehverbindung sich hinter der ersten und/oder zweiten Drehverbindung befindet. Weiters ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen der dritten Schwenkverbindung und der dritten Drehverbindung kleiner ist als der Abstand zwischen der ersten Schwenkverbindung und der ersten Drehverbindung und/oder der zweiten Schwenkverbindung und der zweiten Drehverbindung. Vorteilhafterweise ist der Durchmesser des dritten Rades geringer als der Durchmesser des ersten und/oder zweiten Rades. Weiters kann sich die die Drehachse des dritten Rades näher an der Oberfläche befinden als die Drehachse des ersten und/oder zweiten Rades. Ebenso kann sich der Schnittpunkt der Schwenkachse und der Schwenkebene der dritten Schwenkverbindung bzw. des dritten Längsträgers näher an der Oberfläche befinden als der Schnittpunkt der Schwenkachse und der Schwenkebene der ersten und/oder zweiten Schwenkverbindung bzw. des jeweiligen Längsträgers. Die dritte Schwenkverbindung kann geregelt verschwenkbar sein. Vorzugsweise ist sie allerdings frei schwenkend ausgeführt.

[0021] In einer bevorzugten Ausführungsform des mobilen Systems sind mit dem ersten Radantrieb und/oder zweiten Radantrieb das erste und/oder zweite Rad in beide Richtungen antreibbar. Somit ergeben sich weitere Bewegungsmöglichkeiten für das mobile System.

[0022] Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der ersten Schwenkverbindung und der ersten Drehverbindung größer, bevorzugt mehr als doppelt so groß ist als der Radius des ersten Rades und/oder der Abstand zwischen der zweiten Schwenkverbindung und der zweiten Drehverbindung größer, bevorzugt mehr als doppelt so groß als der Radius des zweiten Rades.

[0023] In einer bevorzugten Ausführungsform des mobilen System ist ein Außenumfang des Grundgerüsts teilkreisförmig ausgebildet. Im Falle einer Kollision erlaubt dies eine besonders günstige Umwandlung einer auf den Außenumfang wirkenden Kraft in eine auf die Schwenkverbindungen wirkendes Drehmoment. Dabei kann insbesondere ein Abschnitt des Außenumfangs an einer Vorderseite des Grundgerüsts bezogen auf die Vorwärtsrichtung abgeflacht, flach oder gerade, insbesondere normal zur Vorwärtsrichtung, ausgeführt, da bei einer frontalen Kollision die Kraftwirkung üblicherweise nicht in auf die Schwenkverbindungen wirkendes Drehmoment umgeleitet werden kann.

[0024] Bevorzugt erlaubt das mobile System eine Nachgiebigkeitsregelung gegen von der Seite wirkende Kräfte auf das mobile System, insbesondere das Grundgerüst bzw. den Außenumfang des Grundgerüsts. Somit sind vorzugsweise die Schwenkverbindungen gegenüber einem durch eine Krafteinwirkung auf das Grundgerüst, insbesondere auf dessen Außenumfang, hervorgerufenen Drehmoment nachgiebig. Falls eine Kollision mit einem Hindernis auftritt, verschwenken die Längsträger durch ein von der mechanischen Kraft hervorgerufenen Drehmoment um die jeweilige Schenkachse, sodass das Grundgerüst bezogen auf die Räder vom Hindernis weg verschoben wird. Dadurch ändert sich auch die Fahrtrichtung des mobilen Systems, insbesondere ist die neue Fahrtrichtung gegenüber der ursprünglichen Fahrtrichtung vom Hindernis weggedreht. Diese Eigenschaft ist besonders nützlich im Umfeld von Menschen und kann dazu genutzt werden um sich an diesen vorbeizudrängen. Weiters wird die Kollision durch die Nachgiebigkeit der Schwenkverbindungen gedämpft und eventuelle Beschädigungen des mobilen Systems oder des Hindernis können verhindert oder verringert werden.

[0025] Vorteilhafterweise weist die erste und/oder zweite Schwenkverbindung eine erste und/ oder zweite Drehmoment-Messvorrichtung zur Messung eines von einer Krafteinwirkung auf das Grundgerüst, insbesondere auf dessen Außenumfang, hervorgerufenen Drehmoments auf. Auf diese Weise kann im Falle eines durch eine Kollision hervorgerufenen Drehmoments das

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AT 521 087 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt mobile System (gegebenenfalls zusätzlich zum durch eine Nachgiebigkeit der Schwenkverbindungen von selbst hervorgerufenen Lenkeinschlags) die Schwenk- und Drehverbindungen bzw. Antriebe in spezielle Weise ansteuern, um beispielsweise vom Hindernis wegzusteuern oder die Geschwindigkeit zu reduzieren.

[0026] In einer bevorzugten Ausführungsform des mobilen Systems weist das Grundgerüst Abstandmessvorrichtungen zur Messung von Abständen zu das mobile System umgebende Objekte und/oder Drucksensoren zur Feststellung von mit dem mobilen System, insbesondere mit dem Außenumfang des Grungerüsts, in Berührung befindlichen Objekten auf. Mithilfe der Abstandmessvorrichtungen kann das mobile System umgebende Objekte erkennen und daran angepasst seine Bahn ändern. Weiters kann das mobile System dadurch drohende Kollisionen feststellen und diese verhindern oder abschwächen, indem proaktiv gegengelenkt wird. Dazu werden die Schwenkvorrichtungen derart verschwenkt, dass das mobile System seine Fahrtrichtung weg vom Hindernis ändert. Mithilfe der Drucksensoren können Kollisionen erkannt werden und das mobile System kann die Einstellungen der Schwenkverbindungen und der Drehverbindungen bzw. der Antriebe ändern, um beispielsweise vom Hindernis wegzulenken und/oder die Geschwindigkeit zu reduzieren.

[0027] Bezugnehmend auf das erfindungsgemäße Verfahren ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren beinhaltet, dass das mobile System mit einer Drehmoment-Messvorrichtung ein aufgrund einer Krafteinwirkung auf das Grundgerüst, insbesondere auf einen Außenumfang des Grundgerüsts, vorzugsweise einer von einer Kollision des mobilen Systems mit einem Objekt hervorgerufenen Krafteinwirkung auf das Grundgerüst, insbesondere auf einen Außenumfang des Grundgerüsts, hervorgerufenes Drehmoment misst. Weiters ist es vorteilhaft, wenn das mobile System mit Drucksensoren eine Kollision des mobilen Systems mit einem Objekt feststellt. Vorzugsweise misst das mobile System mit einer Abstandsmessvorrichtung Abstände zu das mobile System umgebende Objekte misst und berechnet bevorzugt bevorstehende Kollisionen. Mithilfe dieser Verfahrensschritte kann entweder eine drohende Kollision verhindert werden, indem das mobile System die Schwenk- und Drehverbindungen bzw. Antriebe entsprechend steuert um vom Objekt wegzulenken und/oder die Geschwindigkeit zu reduzieren bzw. zu bremsen. Weiters können im Falle einer Kollision deren Auswirkungen reduziert werden, indem das mobile System vom Hindernis weglenkt. Die Kollision kann dabei insbesondere mit der Drehmoment-Messvorrichtung und/oder den Drucksensoren festgestellt werden. Die Drehmoment-Messvorrichtung ist dabei vorzugsweise als eine erste und/oder zweite DrehmomentMessvorrichtung der ersten und/oder zweiten Schwenkverbindung ausgeführt.

[0028] Bevorzugt verschwenkt bei einer Kollision des mobilen Systems mit einem Objekt das Grundgerüst sich aufgrund der Kraftwirkung durch die Kollision gegenüber der ersten und/oder zweiten Drehverbindung und/oder wird bei einer Kollision des mobilen Systems mit einem Objekt das Grundgerüst über eine geregelte Verschwenkung der ersten und/oder zweiten Verschwenkverbindung gegenüber der ersten und/oder zweiten Drehverbindung verschwenkt, wobei vorzugsweise die Fahrtrichtung des mobilen Systems in eine Richtung weg von dem Objekt verschwenkt wird. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Konstruktion des mobilen Systems derart ausgeführt ist, dass eine Kollision automatisch zu einer derartigen Verschwenkung führt, dass das mobile System seine Fahrtrichtung vom Hindernis weg ändert.

[0029] In einer bevorzugten Variante des Verfahrens zeigt das mobile System bevorstehende Richtungsänderungen an, indem das Grundgerüst mit der ersten und zweiten Verschwenkverbindung gegenüber den Längsträger verschwenkt wird, während die Längsträger parallel bleiben, wobei vorzugsweise das Grundgerüst gegenüber der ersten und zweiten Drehverbindung in die entgegengesetzte Richtung der bevorstehenden Richtungsänderung verschwenkt wird. Dadurch kann das mobile System Personen im Umfeld eine Kursänderung intuitiv signalisieren und die Interaktion verbessern. Da das mobile System sein Grundgerüst während einer Fahrt drehen kann, muss die Fahrtrichtung nicht mit einer Vorderseite des mobilen Systems übereinstimmen. Somit kann eine zukünftige Richtungsänderung mittels einer Verdrehung des Grundgerüstes gegenüber der Fahrtrichtung vorab angezeigt werden. Somit kann die Interaktion von mobilem System und Personen verbessert werden.

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AT 521 087 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt [0030] Vorzugsweise ändert das mobile System die Fahrtrichtung, indem die erste und/oder zweite Verschwenkverbindung derart geregelt verschwenkt werden, dass der erste und der zweite Längsträger nicht parallel sind, wobei sich eine Achse durch den ersten Längsträger und eine Achse durch den zweiten Längsträger vorzugsweise bezogen auf die Fahrtrichtung des mobilen Systems vor dem mobilen System schneiden. Bei Rückwärtsfahrt schneiden die Achsen sich entsprechend bevorzugt hinter dem mobilen System. Wenn die Räder parallel stehen liegt der ICC bzw. das Rotationszentrum unendlich weit außerhalb des mobilen Systems. Somit fährt das mobile System geradeaus. Durch das aktive Drehen der Längsträger um die Achsen der Schwenkverbindungen ist es möglich, den ICC an jeden Punkt auf der Fahrebene zu legen und somit beliebige Kurven mit unterschiedlichen Ausrichtungen des Grundgerüsts zu fahren und diese auch während der Fahrt ohne Richtungsänderung zu drehen. Der Raum der möglichen ICC-Positionen und somit der maximale Lenkausschlag wird üblicherweise durch einen maximalen Lenkwinkel, d.h. die Verschwenkwinkel der Schwenkverbindungen, begrenzt.

[0031] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf welche sie jedoch keinesfalls beschränkt sein soll, noch näher erläutert. Im Einzelnen zeigen in den Zeichnungen:

[0032] Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des mobilen Systems;

[0033] Fig. 2a und 2b das Verhalten einer bevorzugten Ausführungsform des mobilen Systems im Falle einer Kollision;

[0034] Fig. 3a und 3b das Anzeigen einer zukünftigen Richtungsänderung durch das mobile System; und [0035] Fig. 4a und 4b verschiedene Positionen des ICC und damit Lenkmöglichkeiten durch das mobile System.

[0036] Fig. 1 zeigt ein mobiles System 1 mit einem Grundgerüst 2, das einen teilkreisförmigen Außenumfang 3 aufweist. Das mobile System 1 weist dabei eine Vorwärtsrichtung 4 auf, die durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet ist. Das Grundgerüst 2 ist über eine erste Schwenkverbindung 10 mit einem ersten Längsträger 11 um eine Achse 12 im Wesentlichen normal zur Oberfläche verbunden. Die Achse 12, um die der erste Längsträger 11 schwenkbar ist, ist dabei durch eine gepunktete gebogene Linie mit beidseitigen Pfeilen um die Achse 12 herum angedeutet. Die Achse 12 ist in diesem Fall im Wesentlichen normal zur Zeichenebene. Über eine erste Drehverbindung 13 ist mit dem ersten Längsträger 11 ein erstes Rad 14 drehbar um eine Achse 15 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des ersten Längsträgers 11, d.h. im Wesentlichen normal zur Vorwärtsrichtung 4, verbunden. Die Achse 15 ist dabei durch eine gestrichelte gerade Linie und eine gestrichelte gebogene Linie mit Pfeil angedeutet. Weiters ist das Grundgerüst 2 über eine zweite Schwenkverbindung 20 mit einem zweiten Längsträger 21 um eine Achse 22 im Wesentlichen normal zur Oberfläche verbunden. Die Achse 22, um die der erste Längsträger 21 schwenkbar ist, ist dabei durch eine gepunktete gebogene Linie mit beidseitigen Pfeilen um die Achse 22 herum angedeutet. Die Achse 22 ist in diesem Fall im Wesentlichen normal zur Zeichenebene. Über eine zweite Drehverbindung 23 ist mit dem zweiten Längsträger 21 ein zweites Rad 24 drehbar um eine Achse 25 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des zweiten Längsträgers 21, d.h. im Wesentlichen normal zur Vorwärtsrichtung 4, verbunden. Die Achse 25 ist dabei durch eine gestrichelte gerade Linie und eine gestrichelte gebogene Linie mit Pfeil angedeutet. Mithilfe eines ersten und/oder zweiten Radantriebs (nicht eingezeichnet) kann das erste Rad 14 und/oder zweite Rad 24 angetrieben werden. Bei der eingezeichneten Stellung des ersten und zweiten Längsträgers 11,21 bzw. des ersten und zweiten Rades 14, 24 führt ein Antrieb des ersten Rad 14 genau zu einer Bewegung in Vorwärtsrichtung (sofern das zweite Rad 24 frei drehbar ausgeführt ist oder gleichermaßen angetrieben wird).

[0037] Das mobile System 1 weist in dieser bevorzugten Ausführungsform weiters einen über einen dritten Längsträger 30 auf, der über eine dritte Schwenkverbindung 30 um eine Achse 32

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AT 521 087 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst 2 verbunden ist und mit dem über eine dritte Drehverbindung 33 um eine Achse 35 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des dritten Längsträgers 31 drehbar ein, bevorzugt freidrehendes, drittes Rad 34 verbunden ist. Dabei befindet sich die dritte Schwenkverbindung 30, die dritte Drehverbindung 33, der dritte Längsträger 31 und das dritte Rad 34 im unausgelenkten Zustand der Schwenkverbindungen 10, 20, 30, in diesem Fall sogar auch in einem gegebenenfalls ausgelenkten Zustand, jeweils hinter ihren ersten und zweiten Gegenstücken 10, 20, 13, 23, 14, 24 bezogen auf die Vorwärtsrichtung 4. Das dritte Rad 34 dient dabei insbesondere der Stabilisierung und Lastaufteilung des Grundgerüsts 2.

[0038] In der gezeigten Einstellung der Schwenkverbindungen 10, 20, 30 entspricht die Fahrtrichtung der Vorwärtsrichtung 4.

[0039] Fig. 2a und 2b zeigen das Verhalten einer bevorzugten Ausführungsform des mobilen Systems 1, dessen Aufbau analog zu dem in Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen ist, bei einer Kollision. Die Kollision ist dabei durch ein Vieleck angedeutet. Aufgrund der Kollision wirkt eine Kraft 5, die als Pfeil angedeutet ist, auf das Grundgerüst 2 bzw. dessen Außenumfang 3. Dadurch wird das Grundgerüst 2 und mit diesem die Schwenkverbindungen 10, 20, 30 gegenüber den Räder 14, 24, 34 verschwenkt und die Längserstreckungsrichtungen der Längsträger 11, 21, 31 sind nicht mehr parallel zur Vorwärtsrichtung 4 (nicht eingezeichnet). Somit weicht ebenfalls die Fahrtrichtung, die als strichlierter Pfeil eingezeichnet ist, von der Vorwärtsrichtung 4 ab, und die Fahrtrichtung dreht sich weg vom Hindernis. Dabei zeigt Fig. 2b insbesondere einen durch eine größere Kraft 5 hervorgerufenen größeren Lenkeinschlag, d.h. die Fahrtrichtung weist noch stärker von der Vorwärtsrichtung 4 (nicht eingezeichnet) ab als in Fig 2b. Die Verschwenkung der Längsträger 14, 24 kann auch aktiv erfolgen oder verstärkt werden, falls die Kollision durch Drucksensoren oder Drehmoment-Messvorrichtungen (nicht eingezeichnet) erfasst wurde.

[0040] Fig. 3a und 3b veranschaulichen, wie das mobile System 1, dessen Aufbau analog zu dem in Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen ist, in einer bevorzugten Ausführungsform eine zukünftige Richtungsänderung anzeigen kann. Dabei werden die erste und zweite Schwenkverbindungen 10, 20 derart gegenüber der Darstellung in Fig. 1 geregelt verschwenkt, dass der erste und zweite Längsträger 11, 21 weiterhin parallel bleiben. Da die dritte Schwenkverbindung 30 frei schwenkend ausgeführt ist, folgt der dritte Längsträger 31 aufgrund des Kontaktes des dritten Rades 34 mit der Oberfläche von selbst auch dieser Schwenkbewegung und stellt sich parallel zur dem ersten und dem zweiten Längsträger 11, 21 ein. Mit parallel ist in diesem Zusammenhang gemeint, dass die Längserstreckungsrichtungen der Längsträger 11, 21, 31 bzw. die Drehachsen 15, 25, 35 der Räder 14, 24, 34 im Wesentlichen parallel sind. Sofern das zweite Rad 24 auch einen Radantrieb aufweist, so muss dieser gegebenenfalls kurzzeitig während der Schwenkbewegung stärker oder schwächer angetrieben werden. Bei Verschwenkung in die in Fig. 3a und 3b gezeigt Richtung, müsste ein Radantrieb des zweiten Rades 24 während der Schwenkbewegung stärker angetrieben werden.

[0041] Durch die Verschwenkbewegung dreht sich das Grundgerüst 2 gegenüber seiner ursprünglichen Ausrichtung, während die Fahrtrichtung dieselbe bleibt. Durch die Drehung des Grundgerüsts 2 in eine zukünftige Fahrtrichtung, kann einer Person diese angezeigt werden. Erst nachdem die zukünftige Fahrtrichtung für eine bestimmte Zeit angezeigt wurde, erfolgt eine tatsächliche Fahrtrichtungsänderung in diese Richtung. Dabei kann das Grundgerüst 2 vorzugsweise genauso stark gedreht werden, wie die Fahrtrichtung gedreht werden soll. Das Grundgerüst 2 kann aber auch stärker oder schwächer verdreht werden. Die anschließende Fahrtrichtungsänderung wird vorzugsweise allerdings derart durchgeführt, dass nach Abschluss der Fahrtrichtungsänderung das Grundgerüst wieder bezogen auf die Fahrtrichtung in der Ausgangslage ist, d.h. das Fahrtrichtung und Vorwärtsrichtung 4 übereinstimmen. Die Fahrtrichtung ist wiederum als strichlierter Pfeil eingezeichnet.

[0042] In Fig. 1 liegt der ICC unendlich weit entfernt vom mobilen System 1, da die Achsen 14, 24, 34 parallel sind. Demgegenüber liegt der ICC des mobilen System, dessen Aufbau analog

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AT 521 087 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt zu dem in Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebenen ist, in Fig. 4a ungefähr zwischen dem ersten, zweiten und dritten Rad 14, 24, 34. In Fig. 4b liegt der ICC rechts außerhalb des mobilen Systems bezogen auf die Vorwärtsrichtung 4 (nicht eingezeichnet). Der ICC ergibt sich dabei jeweils als Schnittpunkt der Drehachsen 15, 25, 35. Dabei sind das erste, zweite und dritte Rad 14, 24, 34 und damit auch die Achsen 15, 25, 35 paarweise nicht parallel. Sowohl in der in Fig. 4a, als auch in der in Fig. 4b gezeigten Stellung der Räder fährt das mobile System 1 eine Kurve. Da in Fig. 4b der ICC allerdings weiter vom mobilen System 1 entfernt ist als in Fig. 4a, in der der ICC sich ungefähr zwischen den Räder 14, 24, 34 befindet, überwiegt in Fig. 4b der Translationsteil der Bewegung des mobilen Systems 1, während in Fig. 4a der Rotationsteil der Bewegung des mobilen Systems 1 überwiegt. Durch entsprechende Verschwenkung des ersten und zweiten Längsträger 11, 21 mithilfe der geregelten Schwenkverbindungen 10, 20 ist es dem mobilen System 1 also möglich, den ICC während der Fahrt zu verschieben.

[0043] Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.

Claims (16)

1. Mobiles System (1) beweglich relativ zu einer Oberfläche zumindest in eine Vorwärtsrichtung (4) aufweisend ein Grundgerüst (2), einen ersten Längsträger (11), der über eine erste Schwenkverbindung (10) um eine Achse (12) im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst (2) verbunden ist, einen zweiten Längsträger (21), der über eine zweite Schwenkverbindung (20) um eine Achse (22) im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst (2) verbunden ist, ein erstes Rad (14), das über eine erste Drehverbindung (13) um eine Achse (15) im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des ersten Längsträgers (11) drehbar mit dem ersten Längsträger (11) verbunden ist, und ein zweites Rad (24), das über eine zweite Drehverbindung (23) um eine Achse (25) im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des zweiten Längsträger (21) drehbar mit dem zweiten Längsträger (21) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkbewegungen der ersten und zweiten Schwenkverbindung (10, 20) geregelt steuerbar sind, die erste Drehverbindung (13) einen ersten Radantrieb aufweist, mit dem das erste Rad (14) geregelt antreibbar zumindest in die Vorwärtsrichtung (4) ist und sich die erste Drehverbindung (13) hinter der ersten Schwenkverbindung (10) bezogen auf die Vorwärtsrichtung (4) und die zweite Drehverbindung (23) hinter der zweiten Schwenkverbindung (20) bezogen auf die Vorwärtsrichtung (4) befinden.

2. Mobiles System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drehverbindung (23) einen zweiten Radantrieb aufweist, mit dem das zweite Rad (24) geregelt antreibbar zumindest in eine Vorwärtsrichtung (4) ist.

3. Mobiles System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten Drehverbindung (13) und der ersten Schwenkverbindung (10) und der zweiten Drehverbindung (23) und der zweiten Schwenkverbindung (20) im Wesentlichen gleich ist, der erste Längsträger (11) im Wesentlichen gleich lang ist wie der zweite Längsträger (21) und/oder der Durchmesser des ersten Rades (14) und des zweiten Rades (24) im Wesentlichen gleich sind.

4. Mobiles System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile System (1) einen dritten Längsträger (31) aufweist, der über eine dritte Schwenkverbindung (30) um eine Achse (32) im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst (2) verbunden ist und mit dem über eine dritte Drehverbindung (33) um eine Achse (35) im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des dritten Längsträgers (31) drehbar ein, bevorzugt freidrehendes, drittes Rad (34) verbunden ist.

5. Mobiles System (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schwenkverbindung (30) sich hinter der ersten und/oder zweiten Schwenkverbindung (10, 20) bezogen auf die Vorwärtsrichtung (4) befindet, der Abstand zwischen der dritten Schwenkverbindung (30) und der dritten Drehverbindung (33) kleiner ist als der Abstand zwischen der ersten Schwenkverbindung (10) und der ersten Drehverbindung (13) und/oder der zweiten Schwenkverbindung (20) und der zweiten Drehverbindung (23) und/oder

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AT 521 087 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt der Durchmesser des dritten Rades (34) geringer ist als der Durchmesser des ersten und/oder zweiten Rades (14, 24).

6. Mobiles System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Radantrieb und/oder zweiten Radantrieb das erste und/oder zweite Rad (14, 24) in beide Richtungen antreibbar sind.

7. Mobiles System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten Schwenkverbindung (10) und der ersten Drehverbindung (13) größer, bevorzugt mehr als doppelt so groß ist als der Radius des ersten Rades (14) und/oder der Abstand zwischen der zweiten Schwenkverbindung (20) und der zweiten Drehverbindung (23) größer, bevorzugt mehr als doppelt so groß ist als der Radius des zweiten Rades (24).

8. Mobiles System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außenumfang des Grundgerüsts (2) teilkreisförmig ausgebildet ist.

9. Mobiles System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkverbindungen (10, 20, 30) gegenüber einem durch eine Krafteinwirkung (5) auf das Grundgerüst (2), insbesondere auf einen Außenumfang (3) des Grundgerüsts (2), hervorgerufenen Drehmoment nachgiebig sind.

10. Mobiles System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Schwenkverbindung (10, 20) eine erste und/oder zweite Drehmoment-Messvorrichtung zur Messung eines von einer Krafteinwirkung (5) auf das Grundgerüst (2), insbesondere auf dessen Außenumfang (3), hervorgerufenen Drehmoments aufweisen.

11. Mobiles System (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgerüst (2) Abstandmessvorrichtungen zur Messung von Abständen zu das mobile System (1) umgebende Objekte und/oder Drucksensoren zur Feststellung von mit dem mobilen System (1), insbesondere mit dem Außenumfang (3) des Grungerüsts (2), in Berührung befindlichen Objekten aufweist.

12. Verfahren zur Steuerung eines mobilen Systems (1), das relativ zu einer Oberfläche zumindest in eine Vorwärtsrichtung (4) beweglich ist, wobei das mobile System (1) ein Grundgerüst (2), einen ersten Längsträger (11), der über eine erste Schwenkverbindung (10) um eine Achse (12) im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst (2) verbunden ist, einen zweiten Längsträger (21), der über eine zweite Schwenkverbindung (20) um eine Achse (22) im Wesentlichen normal zur Oberfläche schwenkbar mit dem Grundgerüst (2) verbunden ist, ein erstes Rad (14), das über eine erste Drehverbindung (13) um eine Achse (15) im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des ersten Längsträgers (11) drehbar mit dem ersten Längsträger (11) verbunden ist, ein zweites Rad (24), das über eine zweite Drehverbindung (23) um eine Achse (25) im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und im Wesentlichen normal zur Längserstreckungsrichtung des zweiten Längsträgers (21) drehbar mit dem zweiten Längsträger (21) verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Schwenkverbindung (10, 20) geregelt verschwenkt werden und das erste Rad (14) mit einem ersten Radantrieb zumindest in die Vorwärtsrichtung (4) geregelt angetrieben wird, wobei sich die erste Drehverbindung (13) hinter der ersten Schwenkverbindung (10) bezogen auf die Vorwärtsrichtung (4) und die zweite Drehverbindung (23) hinter der zweiten Schwenkverbindung (20) bezogen auf die Vorwärtsrichtung (4) befinden.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile System (1) mit einer Drehmoment-Messvorrichtung ein aufgrund einer Krafteinwirkung (5) auf das Grundgerüst (2), insbesondere auf einen Außenumfang (3) des Grundgerüsts (2), vorzugsweise einer von einer Kollision des mobilen Systems (1) mit einem Objekt hervorgerufenen Krafteinwirkung (5) auf das Grundgerüst (2), insbesondere auf einen Außenumfang (3) des Grundgerüsts (2), hervorgerufenes Drehmoment misst, das mobile System (1) mit Drucksensoren eine Kollision des mobilen Systems (1) mit einem Objekt feststellt und/oder das mobile System (1) mit einer Abstandsmessvorrichtung Abstände zu das mobile System (1) umgebende Objekte misst und vorzugsweise bevorstehende Kollisionen berechnet.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kollision des mobilen Systems (1) mit einem Objekt sich das Grundgerüst (2) aufgrund der Kraftwirkung (5) durch die Kollision gegenüber der ersten und/oder zweiten Drehverbindung (13, 23) verschwenkt und/oder dass bei einer Kollision des mobilen Systems (1) mit einem Objekt das Grundgerüst (2) über eine geregelte Verschwenkung der ersten und/oder zweiten Schwenkverbindung (10, 20) gegenüber der ersten und/oder zweiten Drehverbindung (10, 20) verschwenkt wird, wobei vorzugsweise die Fahrtrichtung des mobilen Systems (1) in eine Richtung weg von dem Objekt verschwenkt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile System (1) bevorstehende Richtungsänderungen anzeigt, indem das Grundgerüst (2) mit der ersten und zweiten Schwenkverbindung (10, 20) gegenüber den Längsträgern (11, 21) verschwenkt wird, während die Längsträger (11, 21) parallel bleiben, wobei vorzugsweise das Grundgerüst (2) gegenüber der ersten und zweiten Drehverbindung (13, 23) in die entgegengesetzte Richtung der bevorstehenden Richtungsänderung verschwenkt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mobile System (1) die Fahrtrichtung ändert, indem die erste und/oder zweite Schwenkverbindung (10, 20) derart geregelt verschwenkt werden, dass der erste und der zweite Längsträger (11, 21) nicht parallel sind, wobei sich eine Achse durch den ersten Längsträger (10) und eine Achse durch den zweiten Längsträger (20) vorzugsweise bezogen auf die Fahrtrichtung des mobilen Systems (1) vor dem mobilen System (1) schneiden.