DE102006001055A1

DE102006001055A1 - Höhenverstellbares Antriebssystem für mobile Roboter

Info

Publication number: DE102006001055A1
Application number: DE200610001055
Authority: DE
Inventors: Andreas Paczynski; Ralf Stetter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-07
Filing date: 2006-01-07
Publication date: 2007-07-12

Abstract

System zum Antrieb eines fahrbaren mobilen Roboters oder eines anderen Fahrzeuges dadurch gekennzeichnet, dass sich angetriebene Räder an Auslegern befinden, welche horizontal drehbar an einer geeigneten Grundkonstruktion befestigt sind. Die Höhen- und Winkellage des Aufbaus des Roboters hängt von der Stellung dieser Ausleger ab.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein höhenverstellbares Antriebssystem für mobile Roboter. Ein mobiler Roboter ist ein gegenüber seiner Umwelt bewegliches System, das eine Steuerung besitzt und Bewegungen und andere Tätigkeiten (Greifen, Transportieren, Saugen, Blasen, Beleuchten, Analysieren, Filmen,...) ausführt. Mobile Roboter werden heute schon beispielsweise als autonome Staubsauger eingesetzt. Das Potential mobiler Roboter für zukünftige Anwendungen ist enorm, die wirtschaftliche Bedeutung wächst stetig.

Mobile Roboter werden heute als fahrende Roboter mit Rädern und als laufende Roboter mit einer beliebigen Zahl und Art an Beinen hergestellt. Die vorliegende Erfindung betrifft hierbei fahrende mobile Roboter jeglicher Art und Größe und jeglichen Anwendungszwecks.

Eine wichtige Anforderung an mobile Roboter ist die Manövrierfähigkeit auch bei schwierigen Geländeverhältnissen. Aktuelle Bauformen von mobilen Robotern sind sehr oft auf den Einsatz auf glatten Böden beschränkt. Beispielsweise stellen bereits Schotterwege, beschädigte Böden und Wiesen für solche mobile Roboter unüberwindbare Hindernisse dar. Sehr viele potentielle Anwendungsmöglichkeiten im Gelände werden hierdurch ausgeschlossen.

Darüber hinaus sollen solche mobile Roboter in der Zukunft auch in der Lage sein offene Behälter mit Flüssigkeiten und Schüttgut so zu beschleunigen und abzubremsen, dass keine Flüssigkeit oder kein Schüttgut verloren geht. Gerade für den schnellen Transport von giftigen oder sehr heißen Flüssigkeiten (beispielsweise geschmolzenen Eisen) bieten solche mobilen Roboter große Vorteile, da Menschen bei der Handhabung dieser Flüssigkeiten oft gefährdet oder geschädigt werden.

Bei fahrenden mobile Roboter ist nach dem Stand der Technik die Bodenfreiheit meist sehr niedrig. Da bei diesen Systemen die Bodenfreiheit nicht variabel ist, muss die gewählte Bodenfreiheit sämtliche Betriebszustände berücksichtigen. Wird bei einem solchen mobilen Roboter eine große Bodenfreiheit gewählt, so ergibt sich für alle Betriebszustände eine hohe Schwerpunktslage. Daher kann ein solcher mobiler Roboter bei schneller Kurvenfahrt leicht umkippen.

Aktuelle Roboter eignen sich nicht zum Transport von Flüssigkeiten und Schüttgut in offenen Behältern. Die Plattform von Lastrobotern ist meist in einem festen Winkel (meist parallel) zum Unterboden ausgeführt. Beim Anfahren oder Bremsen schwappt daher Flüssigkeit aus einem offenen Behälter.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf, mobile Roboter realisieren zu können, welche sich auch bei schwierigen Bodenunebenheiten zügig und kontrolliert bewegen können, ohne das Nachteile entstehen, beispielsweise bezüglich der Fähigkeit des Roboters schnelle Kurven zu fahren. Darüber hinaus zielt die Erfindung darauf auf mobilen Robotern den Transport von Flüssigkeiten und Schüttgut zu ermöglichen, ohne das beim starken Beschleunigen oder Abbremsen Flüssigkeit überschwappt oder Schüttgut verloren geht.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Antriebssystem, bei dem sich angetriebene Räder an Auslegern befinden, welche horizontal drehbar an einer geeigneten Grundkonstruktion befestigt sind. Die Höhen- und Winkellage des Aufbaus des Roboters hängt von der Stellung dieser Ausleger ab.

Die Erfindung beschreibt ein Antriebssystem, bei dem ein Antriebsrad an einem Ausleger befestigt ist. Der Antrieb des Antriebsrades erfolgt von einem auf der Drehachse des Auslegers sitzenden, geeignetem Element, beispielsweise einem Zahnrad, über ein geeignetes Element, beispielsweise einen Zahnriemen, auf ein weiteres geeignetes Element, beispielsweise ein Zahnrad, das mit dem Antriebsrad drehfest verbunden ist. Ein Drehmoment am Zahnrad auf der Drehachse kann dann entweder eine Drehung des Antriebsrades oder eine Drehung des Auslegers bewirken. Durch die Einstellung des Drehmoments am Antriebsrad im Verhältnis zu notwendigen Zugkraft zum Antrieb des Roboters kann bestimmt werden, welche Bewegung umgesetzt wird.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, bei der die Kräfte in einem Antriebselement für ein Rad, beispielsweise in einen Zahnriemen, gleichzeitig dazu verwendet werden um die Stellung eines Auslegers zu definieren, an dem sich das Rad befindet. Werden beispielsweise bei einem mobilen Roboter mit vier Antriebsrädern drei Antriebsräder abgebremst und am Ausleger des vierten Rades ein Drehmoment auf das auf der Drehachse des Auslegers sitzende Rad geleitet, so kann dieses Drehmoment nicht zum Antrieb des Roboters verwendet werden, da ja die anderen drei Räder diese Bewegung verhindern. Das Drehmoment wird dann dazu führen, dass sich die Stellung des Auslegers zum Aufbau des Roboters verhindert.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, bei der die Stellung von horizontal drehbaren Auslegern, an welchen sich die Antriebsräder befinden, die Höhen- und Winkellage des Aufbaus eines mobilen Roboters definiert.

Vor dem Befahren von unwegsamem Gelände kann durch eine geeignete Ansteuerung erreicht werden, dass sich die Stellung aller Ausleger gegenüber dem Aufbau so verändert, dass sich die Bodenfreiheit deutlich erhöht.

Beim Transport von Flüssigkeiten und Schüttgut in offenen Behältern kann durch eine entsprechende Momentenverteilung an den einzelnen Antriebsrädern erreicht werden, dass sich beim Anfahren und Abbremsen eine Winkelstellung des Aufbaus und damit des offenen Behälters ergibt, welche ein Überschwappen sicher verhindert.

Teil des Gedankens der Erfindung ist es auch die Bewegung der einzelnen Ausleger, an denen jeweils angetriebene Räder sitzen, zu koppeln. Dies kann beispielsweise durch Seilzüge oder Gestänge, aber auch mittels pneumatisches, hydraulischer oder elektromechanischer Hilfsmittel geschehen. Durch eine solche Kopplung kann die Steuerung der Momente vereinfacht werden.

Teil des Gedankens der Erfindung ist es auch, dass sich zwischen den einzelnen drehbaren Auslegern oder zwischen den Auslegern und der Grundkonstruktion des Fahrzeugs Federn jeglicher Art und Größe (Schrauberfedern, Tellerfedern, u.a.) befinden, die das Verhalten der Ausleger bei schwierigen Geländeverhältnissen positiv beeinflussen.

Teil des Gedankens der Erfindung ist es auch, dass sich zwischen den einzelnen drehbaren Auslegern oder zwischen den Auslegern und der Grundkonstruktion des Fahrzeugs Dämpfungselemente jeglicher Art und Größe (hydraulische Dämpfer, Reibungsdämpfer, pneumatische Dämpfer) befinden, die das Verhalten der Ausleger bei schwierigen Geländeverhältnissen positiv beeinflussen.

Teil des Gedankens der Erfindung ist es auch, dass sich zwischen den einzelnen drehbaren Auslegern oder zwischen den Auslegern und der Grundkonstruktion des Fahrzeugs Reibelemente jeglicher Art und Größe befinden, die eine Bewegung der Ausleger erst oberhalb einer gewissen Grenze zulassen (Haftreibung -Gleitreibung) und so das Verhalten der Ausleger bei schwierigen Geländeverhältnissen positiv beeinflussen.

Teil des Gedankens der Erfindung ist es auch, dass sich an einem oder mehreren der drehbaren Ausleger Einrichtungen befinden, die eine Drehung der Ausleger zeitweilig verhindern können. Diese Einrichtungen, beispielsweise Kupplungen oder Bremsen, können mechanisch, elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden.

Teil des Gedankens der Erfindung ist es auch, dass sich an den einzelnen drehbaren Armen absolute oder relative Positionsgeber befinden, die eine Auswertung der Stellung der einzelnen Ausleger für die Steuerung des fahrenden mobilen Roboters erlauben.

Teil des Gedankens der Erfindung ist es auch, dass die einzelnen Antriebe für die Räder über geeignete Einrichtungen jeglicher Art verfügen, um die Position, Drehzahl und das übertragene Drehmoment zu ermitteln und für die Steuerung des fahrenden mobilen Roboters zur Verfügung zu stellen.

Teil des Gedankens der Erfindung ist es auch, dass das vorgestellte Antriebssystem nicht nur für mobile fahrbare Roboter verwendet werden kann, sondern auch für andere Fahrzeuge jeglicher Art (beispielsweise aber nicht beschränkt auf PKW, LKW, Omnibusse, Flurförderfahrzeuge, Flugzeuge während Start, Landung und Taxis).

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines mobilen fahrenden Roboters mit an drehbaren Auslegern befestigten Antriebsrädern,
2 eine Darstellung eines drehbaren Auslegers mit einem befestigten Antriebsrad,
3 eine schematische Darstellung eines mobilen fahrenden Roboters mit an drehbaren Auslegern befestigten Antriebsrädern in einer sehr flachen Lage, beispielsweise für hohe Kurvengeschwindigkeiten.
4 eine schematische Darstellung eines mobilen fahrenden Roboters mit an drehbaren Auslegern befestigten Antriebsrädern in einer sehr hohen Lage, beispielsweise für die Fahrt in schwerem Gelände.
5 eine schematische Darstellung eines mobilen fahrenden Roboters mit an drehbaren Auslegern befestigten Antriebsrädern in einer Stellung bei der beim starken Beschleunigen durch Schrägstellung des Aufbaus das Überschwappen einer Flüssigkeit verhindert wird.
6 eine schematische Darstellung eines mobilen fahrenden Roboters mit an drehbaren Auslegern befestigten Antriebsrädern in einer Stellung bei der beim starken Abbremsen durch Schrägstellung des Aufbaus das Überschwappen einer Flüssigkeit verhindert wird.
1 zeigt in stark schematisierter Form eine Grundkonstruktion 1 eines mobilen fahrbaren Roboters, an welcher ein oder mehrere Ausleger 2 (die schematische Darstellung mit zwei sichtbaren Auslegern dient ausschließlich der Illustration) drehbar angebracht sind, an welchen sich jeweils ein Antriebsrad 3 befindet. Der Antrieb der Antriebsräder 3 erfolgt über ein geeignetes Element 4 (beispielsweise ein Zahnrad) über ein weiteres geeignetes Element 5, beispielsweise ein Zahnriemen, auf ein weiteres geeignetes Element 6 (beispielsweise ein Zahnrad). Außerdem kann sich an der Lagerung des Auslegers eine Kupplung oder Bremse 7 zum zeitweiligen Unterbinden der Bewegung befinden.
2 zeigt einen Ausleger 2, an welchem sich ein Antriebsrad 3 befindet. Der Antrieb des Antriebsrades 3 erfolgt über ein geeignetes Element 4 (beispielsweise ein Zahnrad) über ein weiteres geeignetes Element 5, beispielsweise ein Zahnriemen, auf ein weiteres geeignetes Element 6 (beispielsweise ein Zahnrad).
3 zeigt in stark schematisierter Form eine Grundkonstruktion 1 eines mobilen fahrbaren Roboters, an welcher ein oder mehrere Ausleger 2 (die schematische Darstellung mit zwei sichtbaren Auslegern dient ausschließlich der Illustration) drehbar angebracht sind, an welchen sich jeweils ein Antriebsrad 3 befindet. Die Grundkonstruktion 1 befindet sich in einer sehr tiefen Lage, beispielsweise für hohe Kurvengeschwindigkeiten.
4 zeigt in stark schematisierter Form eine Grundkonstruktion 1 eines mobilen fahrbaren Roboters, an welcher ein oder mehrere Ausleger 2 (die schematische Darstellung mit zwei sichtbaren Auslegern dient ausschließlich der Illustration) drehbar angebracht sind, an welchen sich jeweils ein Antriebsrad 3 befindet. Die Grundkonstruktion 1 befindet sich in einer sehr hohen Lage, beispielsweise für die Fahrt in schwerem Gelände.
5 zeigt in stark schematisierter Form eine Grundkonstruktion 1 eines mobilen fahrbaren Roboters, an welcher ein oder mehrere Ausleger 2 (die schematische Darstellung mit zwei sichtbaren Auslegern dient ausschließlich der Illustration) drehbar angebracht sind, an welchen sich jeweils ein Antriebsrad 3 befindet. Die Grundkonstruktion 1 befindet sich in einer Schrägstellung, wie sich dazu eignet, dass bei starkem Beschleunigen Flüssigkeit in einem Behälter 4 nicht überschwappt.
6 zeigt in stark schematisierter Form eine Grundkonstruktion 1 eines mobilen fahrbaren Roboters, an welcher ein oder mehrere Ausleger 2 (die schematische Darstellung mit zwei sichtbaren Auslegern dient ausschließlich der Illustration) drehbar angebracht sind, an welchen sich jeweils ein Antriebsrad 3 befindet. Die Grundkonstruktion 1 befindet sich in einer Schrägstellung, wie sich dazu eignet, dass bei starkem Bremsen Flüssigkeit in einem Behälter 4 nicht überschwappt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die ebenfalls vom Erfindungsgedanken, dass das Drehmoment eines Rades dazu verwendet wird, die Stellung des Rades relativ zu einem Fahrzeug zu beeinflussen, Gebrauch machen und damit in den Schutzbereich fallen.

Claims

System zum Antrieb eines fahrbaren mobilen Roboters oder eines anderen Fahrzeuges dadurch gekennzeichnet, dass sich angetriebene Räder an Auslegern befinden, welche horizontal drehbar an einer geeigneten Grundkonstruktion befestigt sind. Die Höhen- und Winkellage des Aufbaus des Roboters hängt von der Stellung dieser Ausleger ab.
System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Antriebsrades von einem auf der Drehachse des Auslegers sitzenden, geeignetem Element, beispielsweise einem Zahnrad, über ein geeignetes Element, beispielsweise einen Zahnriemen, auf ein weiteres geeignetes Element, beispielsweise ein Zahnrad, das mit dem Antriebsrad drehfest verbunden ist, erfolgt.
System nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte in einem Antriebselement für ein Antriebsrad, beispielsweise in einem Zahnriemen, gleichzeitig dazu verwendet werden um die Stellung eines Auslegers zu definieren, an dem sich das Antriebsrad befindet.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Möglichkeit die Höhe der Grundkonstruktion über die Winkelstellung der Ausleger zu beeinflussen zur Erhöhung der Geländetauglichkeit genutzt wird.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Möglichkeit die Höhe der Grundkonstruktion über die Winkelstellung der Ausleger zu beeinflussen zur Erhöhung der Manövrierfähigkeit und der Kurvengeschwindigkeiten genutzt wird.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Möglichkeit die Höhe der Grundkonstruktion über die Winkelstellung der Ausleger zu beeinflussen zum sicheren Transport von Flüssigkeiten und Schüttgut auch beim Beschleunigen genutzt wird.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Möglichkeit die Höhe der Grundkonstruktion über die Winkelstellung der Ausleger zu beeinflussen zum sicheren Transport von Flüssigkeiten und Schüttgut auch beim Abbremsen genutzt wird.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der einzelnen Ausleger, an denen jeweils angetriebene Räder sitzen, gekoppelt ist.
System nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung mittels eines Gestänges bewirkt wird.
System nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung mittels pneumatischer Hilfsmittel bewirkt wird.
System nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung mittels hydraulischer Hilfsmittel bewirkt wird.
System nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung mittels elektromechanischer Hilfsmittel bewirkt wird.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den einzelnen drehbaren Auslegern oder zwischen den Auslegern und der Grundkonstruktion des Roboters oder des Fahrzeugs Federn jeglicher Art und Größe (Schrauberfedern, Tellerfedern, u.a.) befinden.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den einzelnen drehbaren Auslegern oder zwischen den Auslegern und der Grundkonstruktion des Roboters oder des Fahrzeugs Dämpfungselemente jeglicher Art und Größe (hydraulische Dämpfer, Reibungsdämpfer, pneumatische Dämpfer) befinden.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den einzelnen drehbaren Auslegern oder zwischen den Auslegern und der Grundkonstruktion des Roboters oder des Fahrzeugs Reibelemente jeglicher Art und Größe befinden, die eine Bewegung der Arme erst oberhalb einer gewissen Grenze zulassen (Haftreibung – Gleitreibung).
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich an einem oder mehreren der drehbaren Auslegern Einrichtungen befinden, die eine Drehung der Ausleger zeitweilig verhindern können.
System nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 16 dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtungen mittels mechanischer Hilfsmittel betätigt werden.
System nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 16 dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtungen mittels pneumatischer Hilfsmittel betätigt werden.
System nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 16 dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtungen mittels hydraulischer Hilfsmittel betätigt werden.
System nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 16 dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtungen mittels elektromechanischer Hilfsmittel betätigt werden.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich an den einzelnen drehbaren Auslegern absolute oder relative Positionsgeber befinden, die eine Auswertung der Stellung der einzelnen Ausleger für die Steuerung des fahrenden mobilen Roboters oder des Fahrzeugs erlauben.
System nach Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Antriebe für die Räder über geeignete Einrichtungen jeglicher Art verfügen, um die Position, Drehzahl und das übertragene Drehmoment zu ermitteln und für die Steuerung des fahrenden mobilen Roboters zur Verfügung zu stellen.