DE102004058892A1

DE102004058892A1 - Robotersystem für universelle Einsätze

Info

Publication number: DE102004058892A1
Application number: DE200410058892
Authority: DE
Inventors: Thomas Wiedemann
Original assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Current assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem für universelle Einsätze unter Ausführung von Funktionen und/oder zur Erzielung von Tätigkeiten. DOLLAR A Die Aufgabe besteht darin, ein preisgünstiges, modulares Robotersystem mit universeller Eignung für eine umfangreiche Funktions- und Tätigkeitsbreite aufzubauen, wobei die dafür vorgegebenen Baugruppen austauschbar, erweiterungsfähig und erneuerbar sein sollen. DOLLAR A Die Lösung besteht darin, ein Robotersystem anzugeben, das aus Modulen (3, 5, 7, 9; 4, 6, 8, 10) zusammengesetzt ist, die als Schichtmodule (3, 7, 9; 4, 6, 10) und als Verbindungsmodule (5, 8) ausgebildet sind, wobei die Schichtmodule (3, 7, 9; 4, 6, 10) in Schichten angeordnet sind, die eine vorgegebene Orientierung aufweisen sowie mit den Verbindungsmodulen (5; 8) zu deren Halterung in Verbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem für universelle Einsätze unter Ausführung von Funktionen und/oder zur Erzielung von Tätigkeiten.

Es gibt gegenwärtig eine Vielzahl von anwendungsspezifischen und meist sehr starren Roboterkonstruktionen, die nur für sehr genau definierte Anwendungsfälle einsetzbar sind. Bisherige Roboterlösungen in Form von Robotersystemen und Robotervorrichtungen insbesondere im Heim- und Bürobereich sind demzufolge Einmallösungen ohne universellen Charakter.

Ein Problem besteht darin, dass die anwendungsspezifischen Robotersysteme sowohl mechanisch als auch steuerungstechnisch nicht flexibel sind.

Die herkömmlich vorhandenen modularen Roboter sind bislang aus homogenen Bausteinen aufgebaut, welche sehr teuer und für viele Anwendungsfälle zu ineffizient steuerbar sind.

Das Problem aller bekannten Robotersysteme besteht darin, dass eine Adaption an neue Funktionen und Tätigkeiten häufig eine völlige Neukonzeption im jeweiligen Anwendungsgebiet erfordert und meist an der zu geringen Leistungsfähigkeit der eingesetzten Hard- und Software scheitert.

Es ist unter anderem auch ein Staubsaugroboter bekannt, der eine ausgewogenen Mechanik aufweist, jedoch komplett durch ungenügende, funktions- und tätigkeitsbezogene starre Algorithmen zur vollständigen Raumabdeckung versagt. Eine Modifikation der programmtechnischen Mittel ist nicht möglich. Dies trifft auch auf andere Geräte, Einrichtungen und Vorrichtungen mit Robotercharakter im Heim- und Bürobereich zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Robotersystem für universelle Einsätze anzugeben, das derart geeignet ausge bildet ist, dass der Aufbau eines preisgünstigen, modularen Robotersystems mit universeller Eignung für eine umfangreiche Funktions- und Tätigkeitsbreite (Staubsaugen, Wischen, Wachschutz, Grasmähen usw.) möglich wird. Die Funktions- und Tätigkeitsbereiche sollen durch geeignete Maßnahmen sowie dafür vorgegebene Baugruppen austauschbar, erweiterungsfähig und erneuerbar sein.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Das Robotersystem für universelle Einsätze unter Ausführung von Funktionen und/oder zur Erzielung von Tätigkeiten ist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 aus Modulen zusammengesetzt ist, die als Schichtmodule und als Verbindungsmodule ausgebildet sind, wobei die Schichtmodule in Schichten angeordnet sind, die eine vorgegebene Orientierung aufweisen sowie mit den Verbindungsmodulen zu deren Halterung in Verbindung stehen.

Die Verbindungsmodule können vorzugsweise säulenartig ausgebildet sein.

Die Module können heterogen und/oder gleichartig ausgebildet sein.

Die Schichten können gleiche und/oder unterschiedliche Dicken aufweisen.

Die Schichten können vertikal und/oder horizontal und/oder winklig abweichend davon orientiert angeordnet und zusammengesetzt sein.

Die Schichten können auch als Ringe ausgebildet sein.

Das erfindungsgemäße Robotersystem für universelle Einsätze

– kann somit aus vorwiegend heterogenen Modulen, teilweise auch gleicher Art, zusammengesetzt sein, und zwar
– in Schichten (engl. Slices), mit wahlweise auch unterschiedlicher Dicke, angeordnet sein, wobei
– die Orientierung der Schichten wahlweise vertikal oder horizontal vorgegeben sein kann, wobei in Spezialfällen die Orientierung auch in abweichenden Winkeln von 90° erfolgen kann.

Eine hervorragende Anwendung des erfindungsgemäßen Robotersystems aus den vielen Einsatzmöglichkeiten ist auf den Heim- und Bürobereich bezogen.

Die Verbindungen zwischen den Schichten können durch säulenartige Verbindungsmodule mit rundem und/oder mehreckigem Querschnitt und einer durch Anstecken gleichartiger Module erzielbaren variablen Länge vorgegeben sein, wobei zweckmäßig die Querschnitte z.B. jeweils ein Rechteck/Dreieck/Sechseck darstellen können, da die Rechtecke und Dreiecke, eventuell auch die Sechsecke bei formschlüssiger Verbindung ohne Aufwand einfacher miteinander kombinierbar sind.

Je nach Anwendungsfall sind einzelne oder mehrere Verbindungsmodule mit gleichen mechanischen Abmessungen, aber unterschiedlichem Kopplungsmedium einsetzbar:

– Als elektrisch/informationstechnisches Modul zur Steuerung des Schichtrobotersystems und zur Versorgung der Schichten und Module mit elektrischer Energie,
– als Pneumatik-/Hydraulikmodul zur Bereitstellung von gesteuerter und ungesteuerter Druckluft und/oder Hydraulikmedien für andere Schichten und auch
– als Mechanikmodul zur Bereitstellung von Dreh- und Linearbewegungen mit dem Ziel einer Einsparung von Motoren in den Schichten, was zweckmäßig bei Existenz eines leistungsfähigen Motors, gegebenenfalls auch eines Verbrennungsmotors bei Außeneinsätzen sein kann.

Gleiches gilt für die Schichtmodule, die zumindest ebenso

– als elektrisch/informationstechnisches Modul zur Steuerung des Schichtrobotersystems und zur Versorgung der Schichten und Module mit elektrischer Energie,
– als Pneumatik-/Hydraulikmodul zur Bereitstellung von gesteuerter und ungesteuerter Druckluft und/oder Hydraulikmedien für andere Schichten und auch
– als Mechanikmodul zur Bereitstellung von Dreh- und Linearbewegungen,

ausgebildet sein können, einsetzbar und verbindbar sind.

Die Kopplung von Schichtmodul und Verbindungsmodul kann durch beiderseitige Koppelelemente erfolgen, die an die zu koppelnden Medien der Module angepasst sind und deren Lage z.B. am Verbindungsmodul wohldefiniert, bezogen auf das Schichtmodul jedoch frei definierbar ist.

Damit kann jeder Schichtmodul wahlweise an seiner Außenhülle oder in seinem Inneren gekoppelt werden, ohne dass die Position anderer Schichtmodule zwingend beeinträchtigt ist.

Die Erfindung führt dazu, dass neben der jeweiligen Medienkopplung jeder Verbindungsmodul zur Ausbildung einer mechanisch stabilen Verbindung und Anordnung aller Schichtmodule dienen kann.

Das Einfügen und Entfernen von Schichten kann in allen Betriebszuständen möglich sein, ohne dass die Gesamtfunktionalität beeinträchtigt wird.

Die Erfindung eröffnet auch die Möglichkeit, dass analog zu Plug & Play im Personalcomputer(PC)-Bereich neue Schichten automatisch erkannt und in die aktuelle Gesamtstruktur als funktionierende Einheiten eingefügt werden können.

Die Erfindung ermöglicht es, eine verbindliche Definition der Kernfunktionalität und eine freie Anbindung von einer großen Zahl von austauschbaren Funktions- und Tätigkeitsmodulen herbeizuführen.

Mit der Erfindung wird ein dreidimensionaler, schichtenweiser Aufbau einer Robotervorrichtung analog zum zweidimensionalen PC-Steckkartensystem angegeben. Die Ansteuerung der Roboter-Software kann über eine WLAN/verteilte Programmierung (PC/Roboter) erfolgen, wobei es zweckmäßig ist, eine FORTH-ähnliche, stackorientierte Programmiersprache mit integriertem Interpreter/Compiler und kleiner als 100 Kbyte als programmtechnisches Mittel einzubeziehen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein universelles Roboterbaukastensystem mit freier, extrem lei stungsfähiger Programmierung durch den Endanwender erreichbar ist.

Die Erfindung stellt insgesamt ein modulares Schichtrobotersystem dar.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird mittels mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Robotersystems mit zusammengesetzten Modulen, wobei die Mehrzahl in waagerechten Schichten gekoppelt und vertikal mit einem Verbindungsmodul gehaltert verbunden ist,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Robotersystems mit zusammengesetzten Modulen, wobei die Mehrzahl in vertikalen Schichten gekoppelt und waagerecht mit einem Verbindungsmodul gehaltert verbunden ist,
3 eine schematische Darstellung zweier Module im Randanschluss mit einem Verbindungsmodul und
4 eine schematische Darstellung zweier nebeneinander angeordneter Module mit einem mittig im Innern von hintereinandergeschalteten, angeordneten Modulen untergebrachten Verbindungsmodul in zentraler Kopplung in 4a und 4b.
In 1 besteht ein erstes Robotersystem 1 insbesondere für den Heim- und Bürobereich auf einem ersten Tätigkeitsmodul 7 zum Wischen, einem ersten Bewegungsmodul 9 mit Rollen 20, die zum Transport des Robotersystems 1 vorgesehen sind, einem ersten Sensormodul 3, wobei die Module 7, 9, 3 im Wesentlichen als ringartige Schichten ausgebildet sind und von einem ersten Steuermodul 5, das als Funktionsmodul dient und im Innern der Module 7, 9, 3 eingebracht ist und mit den Modulen 7, 9, 3 dort halternd als Verbindungsmodul in einer zentralen Kopplung 19 (4a, 4b) verbunden ist. Die Module 7, 9, 3 sind in Schichten horizontal angeordnet und sind vom ersten Steuermodul 5 vertikal durchdrungen und gehaltert. Das erste Steuermodul 5 ist ein Verbindungsmodul, dessen Koppelelemente mit den Anschlusselementen der horizontal geschichteten Module 7, 9, 3 korrespondierend, kompatibel verbunden ist.
In 2 besteht ein erfindungsgemäßes zweites Robotersystem 2 insbesondere für den Heim- und Bürobereich aus einem vertikal ringartig ausgebildeten zweiten Sensormodul 4, um das benachbart verbunden ein als Schichtmodul ausgebildetes, zweites Steuermodul 6 sowie ein zweites und ein drittes Bewegungsmodul 10, 11 mit Rollen 21, 22 vorgesehen sind, die als äußere Schichtmodule 10, 11 die beiden mittleren Schichtmodule 4, 6 haltern. Die ringartig angeordneten Schichtmodule 10, 6, 4, 11 haltern sich in Schichten durch ihre Koppelelemente (nicht eingezeichnet) und sind durch eine jeweilige zentrale Kopplung 19 in Form einer Medienkopplung eines als Verbindungsmodul ausgebildeten, horizontalen zweiten Tätigkeitsmodul 8 zum Wischen zusätzlich gehaltert verbunden.
Ringartige Schichtmodule können auch in Ringsegmente bzw. ringsegmentartige, austauschbare Baugruppen unterteilt sein.
Sowohl Funktionsmodule als auch Tätigkeitsmodule können variierbar mechanisch als Schichtmodule und/oder Verbindungsmodule ausgebildet sein, so dass die erfindungsgemäßen Robotersysteme 1, 2 verallgemeinert in weiteren Anwendungsgebieten einsetzbar sind.
Die Sensormodule 3, 4 können ein Kamera- und Wiedergabesystem oder ein Sensorsystem, vorzugsweise auf Infrarotbasis enthalten. Die Steuermodule 5, 6 können eine zentrale Steuerung mit einem kompletten Linux-Rechner z.B. in den Maßen 25mm × 60mm besitzen, der z.B, zur Ansteuerung von Elektromotoren dienen kann und vorzugsweise mit neuen programmtechnischen Mitteln, insbesondere mit einer erweiterungsfähigen oder neuen Programmiersprache, z.B. einer FORTH-ähnlichen Programmiersprache, versehen sein kann. Die Bewegungsmodule 9, 10, 11 in den 1 und 2 können bewegbare/-liche Rollen oder Räder 20, 21, 22 aufweisen.
Zusammengefasst können insbesondere die als Schichten ausgebildeten Sensormodule 3, 9 segmentartig ausgebildet und zusammensetzbar sowie austauschbar miteinander verkoppelt sein. Aber auch die anderen Schichtmodule sowie ebenfalls die Verbindungsmodule können je nach Anwendungsfall durch eine Segmentierung von Einzelteilen bzw. Baugruppen formschlüssig oder kraftschlüssig jeweils untereinander und miteinander ge- und/oder verkoppelt sein.
In 3 sind zwei im Querschnitt kreisförmige, scheibenartige Module 12, 13 mittels des Verbindungsmoduls 17 über randseitige Anschlusselemente in Form einer Randkopplung 18 oder eines Randanschlusses miteinander verbunden.
In 4 ist in Querschnittdarstellung mittig in den Schichtmodulen 15 bzw. 16 das zentrale, im Querschnitt sechseckige Verbindungsmodul 14 angeordnet, das von den sich auch untereinander halternd verbundenen Schichtmodulen 15 in 4a bzw. 16 in 4b jeweils in Form einer inneren zentralen Kopplung 19 umgeben ist.
Die Erfindung ermöglicht es, dass die Kopplung von Schichtmodul und Verbindungsmodul durch Koppelelemente erfolgt, die an die zu koppelnden Medien angepasst sind und deren Lage am Verbindungsmodul wohldefiniert, bezogen auf das Schichtmodul jedoch frei definierbar ist, wobei damit jedes Schichtmodul wahlweise an seiner Außenhülle oder in seinem Inneren gekoppelt werden kann, ohne dass die Position andere Schichtmodule zwingend beeinträchtigt.
Das Robotersystem weist einen schichtenweisen Aufbau bei maximaler Flexibilität und Modularität der programmtechnischen Mittel und der Hardware auf, was zwar weitgehend dem Konzept des modularen Personal-Computers mit zweidimensionalen Steckkarten entspricht, aber übertragen auf eine 3-dimensionale Konstruktion Unterschiede aufweist.

1: erstes Robotersystem
2: zweites Robotersystem
3: erstes Sensormodul
4: zweites Sensormodul
5: erstes Steuermodul
6: zweites Steuermodul
7: erstes Tätigkeitsmodul
8: zweites Tätigkeitsmodul
9: erstes Bewegungsmodul
10: zweites Bewegungsmodul
11: drittes Bewegungsmodul
12: erstes Scheibenmodul
13: zweites Scheibenmodul
14: erstes Sechseck-Verbindungsmodul
15: drittes Scheibenmodul
16: viertes Scheibenmodul
17: zweites Sechseck-Verbindungsmodul
18: Randkopplung
19: zentrale Kopplung
20: erste Rollen
21: zweite Rollen
22: dritte Rollen

Claims

Robotersystem für universelle Einsätze unter Ausführung von Funktionen und/oder zur Erzielung von Tätigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Modulen (3, 5, 7, 9; 4, 6, 8, 10) zusammengesetzt ist, die als Schichtmodule (3, 7, 9; 4, 6, 10) und als Verbindungsmodule (5, 8) ausgebildet sind, wobei die Schichtmodule (3, 7, 9; 4, 6, 10) in Schichten angeordnet sind, die eine vorgegebene Orientierung aufweisen sowie mit den Verbindungsmodulen (5; 8) zu deren Halterung in Verbindung stehen.
Robotersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmodule (5, 8) säulenartig ausgebildet sind.
Robotersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (3, 5, 7, 9; 4, 6, 8, 10) heterogen und/oder gleichartig ausgebildet sind.
Robotersystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten gleiche und/oder unterschiedliche Dicken aufweisen.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten vertikal und/oder horizontal und/oder winklig abweichend davon orientiert angeordnet sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die säulenartigen Verbindungsmodule (5, 8) mit rundem, ellipsenförmigem, ovalem oder mehreckigem Querschnitt ausgebildet sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreckigen Querschnitte als Dreiecke, Rechtecke oder Sechsecke ausgebildet sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleichartige Module durch Aneinanderstecken verbunden sind und eine variable Länge aufweisen.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Anwendungsfall mehrere Verbindungsmodule mit gleichen mechanischen Abmessungen und unterschiedlichen Kopplungsmedium vorgesehen sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtmodule und/oder Verbindungsmodule als Funktionsmodule und/oder Tätigkeitsmodule ausgebildet sind.
Robotersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsmodule (5, 8) mit Kopplungsmedien als folgende Module ausgebildet sind: – Als elektrisch/informationstechnisches Modul (5) zur Steuerung des Schichtrobotersystems (1) und zur Versorgung der Schichten und Module mit elektrischer Energie, – als Pneumatik-/Hydraulikmodul (8) zur Bereitstellung von gesteuerter und ungesteuerter Druckluft und/oder Hydraulikmedien für andere Schichten, – als Mechanikmodul zur Bereitstellung von Dreh- und Linearbewegungen mit dem Ziel einer Einsparung von Motoren in den Schichten.
Robotersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Schichtmodule (3, 7, 9, 4, 6, 10) mit Kopplungsmedien als folgende Module ausgebildet sind: – Als elektrisch/informationstechnisches Modul (6, 4) zur Steuerung des Schichtrobotersystems (2) und zur Versorgung der Schichten und Module (4, 8, 10) mit elektrischer Energie, – als Pneumatik-/Hydraulikmodul (7) zur Bereitstellung von gesteuerter und ungesteuerter Druckluft und/oder Hydraulikmedien für anders Schichten, – als Mechanikmodul (9, 10, 11) zur Bereitstellung von Dreh- und Linearbewegungen mit dem Ziel einer Einsparung von Motoren in den Schichten.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtmodule und Verbindungsmodule mindestens ein Koppelelement aufweisen, die jeweils zueinander angepasst und korrespondierend und kompatibel ausgebildet sind und deren Lage an den Modulen veränderbar ist, so dass formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindungen vorhanden sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtmodul an der Außenhülle oder in seinem Innern koppelbar ist, wobei die Positionen der umgebenden Schichtmodule und halternden Verbindungsmodule berücksichtigt sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die jeweilige Mediumkopplung – eins Randkopplung (18) und/oder eine zentrale Kopplung (19) – als auch die Anschlusselemente/Kopplungselemente zur mechanischen stabilen Verbindung und zur Anordnung vorgegebener eingesetzter Schichtmodule vorgesehen sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten während des Betriebszustandes austauschbar ausgebildet sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neu eingefügte Schichten Anpasselemente und Koppelelemente aufweisen, mit denen die neuen Schichten automatisch von den vorhandenen Schichten erkennbar sind, und die neuen Schichten als systemunterstützende, funktions- und/oder tätigkeitserweiternde Module/Einheiten ausgebildet sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente/Koppelelemente der Funktions/Tätigkeitsmodule bzw. der Schichtmodule/Verbindungsmodule derart ausgebildet sind, dass weitere Module nachrüstbar sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtmodule und/oder die Verbindungsmodule aus segmentierten Einzelteilen – Segmenten – zusammengesetzt und austauschbar sind, wobei die Segmente formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander ge- und/oder verkoppelt sind.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Sensormodule (3, 4) mindestens zwei Segmente aufweisen, die zusammensetzbar sowie austauschbar miteinander in Verbindung stehen.
Robotersystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modul mit einem eine FORTH-ähnliche Programmiersprache enthaltenden programmtechnischen Mittel vorgesehen ist.