DE102006002601B4

DE102006002601B4 - Omnidirektionales Rad

Info

Publication number: DE102006002601B4
Application number: DE200610002601
Authority: DE
Inventors: Jochen Brunhorn
Original assignee: Freie Universitaet Berlin
Current assignee: Freie Universitaet Berlin
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2026-01-14
Also published as: DE102006002601A1

Abstract

Omnidirektionales Rad, das zum Abrollen auf einer Rollfläche um eine Drehachse drehbar ist und das über sekundäre Räder, die drehbar entlang einer Umfangslinie des omnidirektionalen Rades hintereinander angeordnet sind, auf der Rollfläche abrollbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das omnidirektionale Rad (1) ein die sekundären Räder (21–23, 21'–23') tragendes Exzenterrad (2, 2') aufweist, das um eine zur Drehachse (10) des omnidirektionalen Rades (1) beabstandete Exzenterachse (20, 20') drehbar und durch ein Reuleaux-Vieleck definiert ist, dessen Mittelpunkt (M_R, M_R') konzentrisch mit der Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') ist und dessen äußerer Umfang die Umfangslinie (U, U') des omnidirektionalen Rades (1) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein omnidirektionales Rad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche omnidirektionalen Räder werden eingesetzt, um bei einem Fahrzeug oder einem Roboter einen erhöhten Bewegungsgrad zu ermöglichen, und sind herkömmlicher Weise so konstruiert, dass sie zum Abrollen auf einer Rollfläche um eine Drehachse drehbar sind und sekundäre Räder aufweisen, die entlang einer kreisförmigen Umfangslinie hintereinander angeordnet, dabei bevorzugt gleichmäßig um den kreisförmigen Umfang des omnidirektionalen Rades verteilt und in eine Drehrichtung quer zur Drehrichtung des omnidirektionalen Rades drehbar sind. Die sekundären Räder sind hierbei in der Regel nicht angetrieben, also passiv. Über die sekundären Räder tritt das omnidirektionale Rad mit der Rollfläche in Kontakt und ist dadurch auf der Rollfläche abrollbar. Dadurch, dass das omnidirektionale Rad als ganzes in eine erste Drehrichtung und die sekundären Räder in eine zweite Drehrichtung drehbar sind, wird erreicht, dass in Drehrichtung des omnidirektionalen Rades eine Kraft auf die Rollfläche übertragen werden kann und zusätzlich ein passives Abrollen über die sekundären Räder quer zur Drehrichtung des omnidirektionalen Rades ermöglicht ist. Auf diese Weise wird ein omnidirektionales Rad geschaffen, das in jede mögliche Richtung auf der Rollfläche gerollt werden kann. Ordnet man an einem Fahrzeug mehrere (mindestens drei) solcher Räder so an, dass die Drehachsen der omnidirektionalen Räder parallel zur Rollfläche in unterschiedliche Richtungen weisen, so lässt sich das Fahrzeug bei getrenntem, unabhängigem Antrieb der einzelnen omnidirektionalen Räder in beliebiger Richtung bewegen und drehen. Eine mechanische Lenkung des Fahrzeugs durch ein Verstellen der Radausrichtung ist in diesem Fall nicht mehr erforderlich.
Omnidirektionale Räder der oben genannten Art haben diverse Nachteile. Die konvexe Hülle eines solchen omnidirektionalen Rades entspricht einem n-Eck (bei Verwendung von n passiven Rädern) mit leicht abgerundeten Ecken. Die nicht vollständig runde Form des Rads verschlechtert die Rolleigenschaften beim Abrollen des omnidirektionalen Rades und den Wirkungsgrad eines Fahrzeugs, das solche omnidirektionalen Räder verwendet, weil die beim Abrollen entstehende Auf- und Abwärtsbewegung den Energiebedarf zur Fortbewegung erhöht. Zudem stößt sich das Rad bei schneller Umdrehung vom Boden ab und kann dadurch den Bodenkontakt zur Rollfläche verlieren, so dass die Fahrtrichtung des Fahrzeugs häufig korrigiert muss, das Material des Fahrzeugs erhöhten Belastungen ausgesetzt ist und die an das Rad übertragene Kraft nicht übermäßig groß sein darf.
Um die beschriebenen Nachteile abzumildern, werden omnidirektionale Räder mit sehr weichen, passiven sekundären Rädern eingesetzt, bei denen eine Verformung der sekundären Räder während des Abrollens des omnidirektionalen Rades zwar den unrunden Lauf des omnidirektionalen Rades über der Rollfläche vermindert, aber gleichzeitig zu einem erhöhten Energieverbrauch und erhöhter Materialbelastung führt. Bei schneller Drehung des omnidirektionalen Rades ist die Verformung der sekundären Räder zudem zu träge, so dass die Laufeigenschaften des omnidirektionalen Rades nicht wesentlich verbessert sind.
Andere omnidirektionalen Räder verwenden unterschiedliche Anordnungen der sekundären Räder, um die genannten Nachteile zu überwinden.
Aus der WO 02/24471 A1 ist ein omnidirektionales Rad bekannt, bei denen passive, sekundäre Räder axial und entlang des Umfangs des omnidirektionalen Rades zueinander versetzt angeordnet sind und zudem die Außenkontur der sekundären Räder so beschaffen ist, das die konvexe Hülle des omnidirektionalen Rades bei Projektion des omnidirektionalen Rades auf eine Ebene senkrecht zur Drehachse des omnidirektionalen Rades nahezu kreisförmig ist. Nachteil dieses omnidirektionalen Rades ist, dass das omnidirektionale Rad in axialer Richtung eine relativ große Dicke aufweist und zudem die sekundären Räder mit einem relativ kleinen Durchmesser ausgebildet sein müssen.
Aus der WO 01/79007 A1 ist ein omnidirektionales Rad bekannt, bei dem die sekundären Räder mit ihrer Drehachse nicht quer zur Drehachse des omnidirektionalen Rades angeordnet sind, sondern schräg. Bei Projektion des omnidirektionalen Rades auf eine Ebene senkrecht zur Drehachse des omnidirektionalen Rades ist die Kontur des omnidirektionalen Rades bei Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Drehachse des omnidirektionalen Rades dann ebenfalls nahezu kreisförmig. Nachteil bei dem omnidirektionalen Rad gemäß der WO 01/79007 A1 ist jedoch, dass durch die Anordnung der Drehachsen der sekundären Räder schräg zur Drehachse des omnidirektionalen Rades die Reibkräfte auf eine Rollfläche abhängig von der Bewegungsrichtung groß sind und somit zu erhöhter Materialbelastung sowohl des omnidirektionalen Rades als auch der Rollfläche führen können. Zudem ist das Steuern eines Fahrzeugs mit solchen omnidirektionalen Rädern erschwert, und große Drehgeschwindigkeiten des omnidirektionalen Rades sind ausgeschlossen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein omnidirektionales Rad mit verbesserten Laufeigenschaften zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein omnidirektionales Rad, das zum Abrollen auf einer Rollfläche um eine Drehachse drehbar ist und das über sekundäre Räder, die drehbar entlang einer Umfangslinie des omnidirektionalen Rades hintereinander angeordnet sind, auf der Rollfläche abrollbar ist, dadurch gekennzeichnet ist, dass das omnidirektionale Rad ein die sekundären Räder tragendes Exzenterrad aufweist, das um eine zur Drehachse des omnidirektionalen Rades beabstandete Exzenterachse drehbar und durch ein Reuleaux-Vieleck definiert ist, dessen Mittelpunkt konzentrisch mit der Exzenterachse des Exzenterrads ist und dessen äußerer Umfang die Umfangslinie des omnidirektionalen Rades bildet.
Vorteilhafterweise verschiebt sich hierbei der Mittelpunkt des das Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Vielecks während der Umdrehung des omnidirektionalen Rades um die Drehachse entlang einer Ortskurve so, dass beim Abrollen auf der Rollfläche die Höhe der Drehachse des omnidirektionalen Rades über der Rollfläche näherungsweise konstant bleibt.
Grundgedanke der Erfindung ist hierbei, ein omnidirektionales Rad mit einem Exzenterrad zu versehen, das um eine exzentrisch zur Drehachse des omnidirektionalen Rades angeordnete Exzenterachse drehbar ist, und das Exzenterrad hierbei mit Hilfe von Reuleaux-Vielecken zu konstruieren. Reuleaux-Vielecke sind geometrische Figuren, so genannte Gleichdicken, die bei einer Umdrehung eine konstante Breite aufweisen. Rollt man ein Reuleaux-Vieleck über einer ebenen Rollfläche ab, so ändert sich zu keinem Zeitpunkt die Höhe des durch das Reuleaux-Vieleck beschriebenen Objektes. Mit anderen Worten: Die maximale Höhe des Reuleaux-Vielecks über der Rollfläche bleibt bei der Abrollbewegung konstant. Hierbei verändert sich lediglich der Ort des Mittelpunkts des Reuleaux-Vielecks, der sich bei Umdrehung des Reuleaux-Vielecks entlang einer Ortskurve verschiebt.
Das mit Hilfe eines Reuleaux-Vielecks konstruiertes Exzenterrad trägt die sekundären Räder des omnidirektionalen Rades, wobei die sekundären Räder im Bereich des Umfangs des Reuleaux-Vielecks angeordnet sind. Der Mittelpunkt des Reuleaux-Vielecks ist hierbei konzentrisch mit der Exzenterachse des Exzenterrads angeordnet, die wiederum von der Drehachse des omnidirektionalen Rades beabstandet ist. Wird das omnidirektionale Rad auf einer Rollfläche abgerollt, so treten die am Exzenterrad angeordneten sekundären Räder mit der Rollfläche in Kontakt, das Exzenterrad dreht sich um seine Exzenterachse, und gleichzeitig verschiebt sich der Mittelpunkt des das Exzenterrad definierenden Reuleaux-Vielecks, der konzentrisch zur Exzenterachse angeordnet ist, auf der Ortskurve um die Drehachse des omnidirektionalen Rades. Durch die überlagerten Drehbewegungen des Exzenterrads um seine Exzenterachse zum einen und des Mittelpunkts des das Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Vielecks auf der Ortskurve zum zweiten ergibt sich eine Bewegung des omnidirektionalen Rades, bei der die Höhe der Drehachse des omnidirektionalen Rades über der Rollfläche näherungsweise konstant bleibt.
Das erfindungsgemäße omnidirektionale Rad bietet wesentliche Vorteile. Dadurch, dass die Höhe des durch das Reuleaux-Vieleck definierten Exzenterrads des omnidirektionalen Rades während des Abrollens über einer Rollfläche näherungsweise konstant bleibt und sich somit die Höhe der Drehachse des omnidirektionalen Rades über der Rollfläche bei der Umdrehung des omnidirektionalen Rades nicht wesentlich ändert, wird ein omnidirektionales Rad geschaffen, das linear über einer Rollfläche abrollen kann und somit eine vollständig vibrationsfreie Abrollbewegung ermöglicht. Gleichzeitig werden die Eigenschaften des omnidirektionalen Rades, insbesondere die Rollbarkeit des omnidirektionalen Rades in jede mögliche Richtung entlang der Rollfläche gewahrt. Das erfindungsgemäße omnidirektionale Rad ist hierbei auch für hohe Drehgeschwindigkeiten geeignet, da sich die sekundären Räder während der Umdrehung des omnidirektionalen Rades nicht verformen. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße omnidirektionale Rad eine energieeffiziente Fortbewegung mit einem hohen Wirkungsgrad, da eine Verformung der sekundären Räder während der Umdrehung entfällt. Durch das lineare Abrollen des omnidirektionalen Rades über der Rollfläche wird zudem die Haftung mit der Rollfläche verbessert und eine präzise Steuerbarkeit des omnidirektionalen Rades ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist das Reuleaux-Vieleck als Reuleaux-Dreieck oder Reuleaux-Fünfeck ausgebildet, wobei der äußere Umfang des Reuleaux-Dreiecks oder Reuleaux-Fünfecks die Umfangslinie des omnidirektionalen Rades angibt, entlang derer die sekundären Räder am Exzenterrad des omnidirektionalen Rades angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Reuleaux-Vieleck auch als erweitertes Reuleaux-Dreieck ausgebildet sein. Das erweiterte Reuleaux-Dreieck hat im Wesentlichen die Gestalt eines Reuleaux-Dreiecks mit abgerundeten Ecken, weist sämtliche Eigenschaften eines Reuleaux-Vielecks auf und ist insbesondere ein so genanntes Gleichdick, also eine geometrische Figur mit konstanter Breite.
Das omnidirektionale Rad kann mit einer um die Drehachse des omnidirektionalen Rades drehbar in einem Gehäuse gelagerten Antriebswelle verbunden sein, wobei sich die Antriebswelle entlang der Drehachse des omnidirektionalen Rades erstreckt und konzentrisch zu dieser angeordnet ist. Über die Antriebswelle kann dann ein Drehmoment in das omnidirektionale Rad eingeleitet und somit das omnidirektionale Rad in eine Drehbewegung versetzt und somit angetrieben werden. Die Antriebswelle kann hierbei auf ihrer einen Seite beispielsweise mit dem omnidirektionalen Rad und auf ihrer anderen Seite mit einer Antriebsvorrichtung eines Fahrzeugs verbunden sein, mittels derer das omnidirektionale Rad angetrieben wird. Denkbar ist allerdings auch, dass das omnidirektionale Rad anstelle der Antriebswelle mit einer Achse verbunden ist und mittels einer solchen Achse auf passive Weise drehbar im Gehäuse gelagert ist.
Bevorzugt erstreckt sich das omnidirektionale Rad hierbei im Wesentlichen senkrecht zu seiner Drehachse. Das omnidirektionale Rad dreht sich in einer Ebene senkrecht zu seiner Drehachse, rollt dabei mit den am Exzenterrad des omnidirektionalen Rades angeordneten sekundären Rädern linear über der Rollfläche ab und steht hierbei über die sekundären Räder mit der Rollfläche in Kontakt.
Hierbei ist die Exzenterachse des Exzenterrads vorteilhafterweise in einer Richtung parallel zur Drehachse des omnidirektionalen Rades ausgerichtet, verläuft dabei aber exzentrisch, also mit Abstand von der Drehachse des omnidirektionalen Rades. Die exzentrische Exzenterachse des Exzenterrads läuft bei Umdrehung des omnidirektionales Rades entlang der Ortskurve um die Drehachse des omnidirektionalen Rades um, wobei sich gleichzeitig das Exzenterrad um die Exzenterachse dreht. Durch die Überlagerung der Drehbewegung des Exzenterrads um die Exzenterachse und der gleichzeitigen Bewegung der Exzenterachse um die Drehachse des omnidirektionalen Rades ergibt sich dann die Abrollbewegung des omnidirektionales Rades, bei der die Höhe der Drehachse des omnidirektionalen Rades über der Rollfläche näherungsweise konstant bleibt.
Der Mittelpunkt des das Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Vielecks ist konzentrisch zur Exzenterachse, um die das Exzenterrad drehbar ist, angeordnet und bewegt sich beim Abrollen des omnidirektionalen Rades über eine Rollfläche auf einer Ortskurve um die Drehachse des omnidirektionalen Rades. Diese Ortskurve ist hierbei abschnittsweise durch Ellipsen beschreibbar, wird aber bevorzugt durch einen Kreis angenähert, dessen Durchmesser durch die Seitenlänge des das Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Vielecks bestimmt ist. Der Mittelpunkt der kreisförmigen Ortskurve ist hierbei konzentrisch zur Drehachse des omnidirektionalen Rades angeordnet. Mittels der Annäherung der Gestalt der Ortskurve durch einen Kreis wird die Konstruktion des omnidirektionalen Rades erheblich vereinfacht, ohne die Funktionsweise des auf der Verwendung von Reuleaux-Vielecken basierenden omnidirektionalen Rades wesentlich zu verändern.
Bevorzugt ist das Exzenterrad drehbar auf der Exzenterachse gelagert, die über ein Verbindungsmittel mit der Antriebswelle verbunden ist. Eine Drehung der Antriebswelle zum Antreiben des omnidirektionalen Rades wird dann über das Verbindungsmittel auf die Exzenterachse übertragen, wobei die Exzenterachse durch Drehung der Antriebswelle entlang der Ortskurve um die Antriebswelle herum bewegt wird. Auf diese Weise werden die Exzenterachse und somit auch der Mittelpunkt des das Exzenterrad definierenden Reuleaux-Vielecks während der Umdrehung des omnidirektionalen Rades entlang der Ortskurve bewegt. Eine gleichzeitige Drehung des Exzenterrads um die Exzenterachse bewirkt dann, dass die Höhe der Drehachse des omnidirektionalen Rades, die konzentrisch zur Antriebswelle ist, bei Umdrehung des omnidirektionalen Rades konstant ist.
Vorteilhafterweise ist das Verbindungsmittel hierbei als Exzenterscheibe ausgebildet, die starr mit der Antriebswelle verbunden ist, und exzentrisch zur Antriebswelle die Exzenterachse des Exzenterrads aufnimmt und starr mit dieser verbunden ist.
Um zu bewirken, dass das Exzenterrad sich bei einer Umdrehung des omnidirektionalen Rades zwangsläufig um die Exzenterachse dreht, kann am Exzenterrad konzentrisch zur Exzenterachse ein Zahnrad angeordnet sein, das mit dem Exzenterrad starr verbunden ist. Das Zahnrad ist hierbei zusammen mit dem Exzenterrad drehbar auf der Exzenterachse gelagert und läuft bei einer Umdrehung des omnidirektionalen Rades in einem Zahnkranz um, der konzentrisch zur Antriebswelle ortsfest in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Zahnrad steht mit dem Zahnkranz in Eingriff, so dass bei einer Umdrehung der Antriebswelle, die eine Drehung der exzentrisch zur Antriebswelle angeordneten Exzenterachse um die Antriebswelle bewirkt, das Zahnrad den Zahnkranz kämmt und das Exzenterrad somit in eine Drehbewegung um die Exzenterachse versetzt. Die Drehbewegung des Exzenterrads um die Exzenterachse ist hierbei gegensinnig zur Drehbewegung der Antriebswelle.
Damit die Drehbewegung der Antriebswelle in eine lineare Abrollbewegung des omnidirektionalen Rades über der Rollfläche übersetzt wird, bei der die Höhe der Antriebswelle über der Rollfläche im Wesentlichen konstant bleibt, weist das Zahnrad bevorzugt einen Durchmesser auf, der dem dreifachen Durchmesser der kreisförmigen Ortskurve des Mittelpunktes des Reuleaux-Vielecks entspricht. Wenn der Durchmesser des Zahnkranzes dem vierfachen Durchmesser der kreisförmigen Ortskurve entspricht, ergibt sich dann ein Übersetzungsverhältnis von der Umdrehung der Antriebswelle zur Drehbewegung des Exzenterrads von 1:–1/3. Eine volle Umdrehung der Antriebswelle bewirkt somit eine Drittel Umdrehung des Exzenterrads in entgegen gesetzter Drehrichtung zur Drehrichtung der Antriebswelle. In diesem Fall rollt das omnidirektionale Rad über das Exzenterrad, an dem die sekundären Räder angeordnet sind und über das das omnidirektionale Rad in Kontakt steht, linear auf der Rollfläche ab.
Erfindungsgemäß weist das omnidirektionale Rad ein Exzenterrad auf, das um eine Exzenterachse drehbar und durch ein Reuleaux-Vieleck definiert ist, wobei im Bereich des Umfangs des Reuleaux-Vielecks sekundäre Räder angeordnet sind. Bevorzugt sind die sekundären Räder hierbei im Bereich der Eckpunkte des das Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Vielecks angeordnet und jeweils um eine Radachse drehbar. Im Bereich von jedem Eckpunkt des Reuleaux-Vielecks können hierbei ein oder mehrere sekundäre Räder angeordnet sein. Über die sekundären Räder im Bereich der Eckpunkte des durch das Exzenterrad definierenden Reuleaux-Vielecks erfolgt das Abrollen des omnidirektionalen Rades auf der Rollfläche.
Eine Radachse, mittels derer ein sekundäres Rad drehbar am Exzenterrad angeordnet ist, erstreckt sich hierbei bevorzugt senkrecht zur Exzenterachse des Exzenterrads und gleichzeitig senkrecht zu einer Linie, die durch den Mittelpunkt des Reuleaux-Vielecks und den Eckpunkt weist, dem das mindestens eine sekundäre Rad zugeordnet ist. Auf diese Weise ist das sekundäre Rad in einer Ebene drehbar, die radial durch den Mittelpunkt des das Exzenterrad definierenden Reuleaux-Vielecks weist und senkrecht zu der Ebene ausgerichtet ist, in der sich das Exzenterrad dreht. Das Exzenterrad und die am Exzenterrad angeordneten sekundären Räder sind somit in unterschiedliche Drehrichtrungen drehbar, so dass das omnidirektionale Rad in jede erdenkliche Richtung entlang einer Rollfläche rollbar ist.
Die Radachse eines sekundären Rades kann vorteilhafterweise radial vom Mittelpunkt des Reuleaux-Vielecks beabstandet sein und muss nicht notwendigerweise durch den Eckpunkt, der dem betroffenen sekundären Rad zugeordnet ist, verlaufen. Durch den Abstand der Radachse vom Mittelpunkt des Reuleaux-Vielecks ist hierbei der maximale Durchmesser des sekundären Rades bestimmt, wobei sichergestellt sein muss, dass die Außenkontur des sekundären Rades so beschaffen ist, dass das Exzenterrad mit den auf dem Exzenterrad angeordneten sekundären Rädern linear auf der Rollfläche abrollen kann. Wesentlich ist hierbei, dass die Außenkontur der sekundären Räder, die am Exzenterrad angeordnet sind und über die das Exzenterrad auf der Rollfläche abrollt, der Außenkontur des das Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Vielecks angepasst ist. Bei einem kleinen Abstand der Radachse vom Mittelpunkt des Reuleaux-Vielecks ergibt sich ein großer Durchmesser des sekundären Radesund bei großem Abstand der Radachse vom Mittelpunkt des Reuleaux-Vielecks ergibt sich ein entsprechend kleinerer Durchmesser des sekundären Rades. Zu beachten ist, dass die Radachse immer innerhalb des das Exzenterrad definierenden Reuleaux-Vielecks angeordnet sein muss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenkontur des sekundären Rades im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse des Exzenterrads durch die Umfangslinie eines erweiterten Reuleaux-Vielecks, insbesondere eines erweiterten Reuleaux-Dreiecks definiert. Die Umfanglinie des erweiterten Reuleaux-Vielecks gibt dann gleichzeitig die durch die sekundären Räder aufgespannte Hüllkurve des Exzenterrads an, über die das Exzenterrad auf der Rollfläche abrollt.
Vorteilhafterweise weist hierbei die Außenkontur eines jeden sekundären Rades im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse des Exzenterrads in einem ersten Abschnitt einen konstanten Krümmungsradius auf, wobei die Außenkontur des sekundären Rades in diesem ersten Abschnitt der Kontur des das Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Vielecks entspricht. Der Krümmungsradius des sekundären Rades im ersten Abschnitt ist somit durch die Gestalt des Reuleaux-Vielecks, bevorzugt eines erweiterten Reuleaux-Dreiecks vorgegeben.
Insbesondere kann die Außenkontur des ersten Abschnitts des mindestens einen sekundären Rades im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse des Exzenterrads so beschaffen sein, dass sie einen konstanten radialen Abstand von den dem sekundären Rad zugeordneten Eckpunkt des Reuleaux-Vielecks aufweist. Die Außenkontur des sekundären Rades ist im ersten Abschnitt dann durch einen Kreisbogen um den dem sekundären Rad zugeordneten Eckpunkt des Reuleaux-Vielecks beschrieben.
Vorteilhafterweise überdeckt der Kreisbogen hierbei einen Winkel, der durch zwei Linien definiert ist, die durch den dem sekundären Rad zugeordneten Eckpunkt und jeweils einen dem zugeordneten Eckpunkt gegenüberliegenden Eckpunkt des Reuleaux-Vielecks weisen. Mit den gegenüberliegenden Eckpunkten des Reuleaux-Vielecks sind hierbei die Eckpunkte gemeint, die an die Seite des Reuleaux-Vielecks angrenzen, die dem Eckpunkt gegenüberliegt, an dem das sekundäre Rad angeordnet ist. Wird beispielsweise ein erweitertes Reuleaux-Dreieck zur Definition des Exzenterrads verwendet, so weist das Reuleaux-Dreieck drei Eckpunkte auf, an denen jeweils mindestens ein sekundäres Rad angeordnet ist. Der erste Abschnitt der Außenkontur des sekundären Rades wird dann durch einen Kreisbogen um den Eckpunkt, an dem das Rad jeweils angeordnet ist, beschrieben, wobei der Kreisbogen einen Winkel überdeckt, der durch die zwei Linien durch den dem sekundären Rad zugeordneten Eckpunkt und die beiden anderen Eckpunkte des Reuleaux-Dreiecks definiert ist.
Vorteilhafterweise weist jedes der an den Eckpunkten des Reuleaux-Vielecks angeordneten sekundären Räder zusätzlich einen zweiten Abschnitt auf, dessen Außenkontur im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse des Exzenterrads ebenfalls durch einen Kreisbogen mit einem konstanten Krümmungsradius beschreibbar ist.
Die Außenkontur des zweiten Abschnittes ist hierbei jedoch bevorzugt durch einen Kreisbogen um einen Eckpunkt des Reuleaux-Vielecks beschreibbar, der dem dem sekundären Rad zugeordneten Eckpunkt gegenüberliegt. Der Radius des Kreisbogens entspricht dann dem Abstand zwischen dem dem sekundären Rad zugeordneten Eckpunkt und dem dem zugeordneten Eckpunkt gegenüberliegenden Eckpunkt zuzüglich dem Krümmungsradius des ersten Abschnitts des sekundären Rades.
Dadurch, dass das sekundäre Rad einen ersten und einen zweiten Abschnitt mit den oben genannten Eigenschaften aufweist, wird gewährleistet, dass das omnidirektionale Rad mit den am Exzenterrad angeordneten sekundären Rädern sicher und vibrationsfrei über eine Rollfläche abrollen kann. Das omnidirektionale Rad tritt dabei ausschließlich über den ersten und zweiten Abschnitt der sekundären Räder mit der Rollfläche in Kontakt und rollt über diese auf der Rollfläche ab. Die Ausbildung des ersten und zweiten Abschnitts ist somit entscheidend für die erreichbare Laufruhe und die Bodenhaftung des omnidirektionalen Rades.
Prinzipiell ist es denkbar, das omnidirektionale Rad mit lediglich einem Exzenterrad zu konstruieren, über das das omnidirektionale Rad auf der Rollfläche abrollt. Bei solch einer Ausbildung des omnidirektionalen Rades müssten jedoch sekundäre Räder entlang des gesamten Umfangs des durch das Reuleaux-Vieleck beschriebenen Exzenterrads angeordnet sein, was aufwendig und baulich ungünstig sein kann. Bevorzugt weist das omnidirektionale Rad daher ein erstes und ein zweites Exzenterrad auf, die jeweils durch ein Reuleaux-Vieleck definiert sind, wobei das erste Exzenterrad um eine erste Exzenterachse und das zweite Exzenterrad um eine zweite Exzenterachse drehbar ist. Durch Verwendung von zwei Exzenterrädern ist es möglich, das omnidirektionale Rad so zu konstruieren, dass sekundäre Räder jeweils ausschließlich im Bereich der Eckpunke der die beiden Exzenterräder beschreibenden Reuleaux-Vielecke angeordnet werden müssen.
Vorteilhafterweise sind zu diesem Zweck das erste und zweite Exzenterrad relativ zueinander um die Drehachse des omnidirektionalen Rades verdreht angeordnet. Grundlegender Gedanke ist hierbei, dass, wenn gerade kein sekundäres Rad des ersten Exzenterrads die Rollfläche berührt, mindestens ein sekundäres Rad des zweiten Exzenterrads mit der Rollfläche in Kontakt steht. Wesentlich ist somit, dass stets ein sekundäres Rad des ersten oder des zweiten Exzenterrads an der Rollfläche anliegt. Auf diese Weise ist es möglich, ein omnidirektionales Rad zu konstruieren, das vollständig linear über der Rollfläche abrollt, wobei sekundäre Räder lediglich im Bereich der Eckpunkte der jeweiligen das Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Vielecke angeordnet sein müssen und das omnidirektionale Rad ausschließlich über die an den Exzenterrädern angeordneten sekundären Räder mit der Rollfläche in Kontakt steht und auf der Rollfläche abrollt.
Bevorzugt sind hierbei das erste und das zweite Exzenterrad relativ zueinander um die Drehachse des omnidirektionalen Rades um 180° verdreht, so dass sich die Mittelpunkte der das erste und das zweite Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Vielecke auf der Ortskurve, auf der sich die Mittelpunkte der die Exzenterräder definierenden Reuleaux-Vielecke während der Umdrehung des omnidirektionalen Rades bewegen, diametral gegenüberliegen.
Wie oben beschrieben, kann das omnidirektionale Rad über eine Antriebswelle angetrieben werden. Denkbar ist hierbei, dass das erste und zweite Exzenterrad jeweils starr mit einem Zahnrad verbunden sind, das jeweils mit einem Zahnkranz kämmt und somit die Drehbewegung der Antriebswelle, die eine Drehung der ersten bzw. zweiten Exzenterachse um die Antriebswelle bewirkt, in eine Drehbewegung des ersten und zweiten Exzenterrads übersetzt wird. Denkbar ist aber auch, dass nur das erste oder das zweite Exzenterrad mit einem Zahnrad versehen ist, das mit einem Zahnkranz kämmt, und das erste und das zweite Exzenterrad über ein Getriebe miteinander verbunden sind. Die Drehbewegung der Antriebswelle wird in diesem Fall über das mit dem Exzenterrad verbundene Zahnrad in eine Drehbewegung eines der beiden Exzenterräder übertragen, die wiederum über das Getriebe vermittelt wird. Vorteilhafterweise übersetzt das Getriebe die Drehbewegung des ersten Exzenterrads hierbei mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 unter Aufrechterhaltung des Drehsinns auf das zweite Exzenterrad. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich das erste und zweite Exzenterrad in dieselbe Richtung drehen und mit derselben Geschwindigkeit über der Rollfläche abrollen.
In einer Variante ist auch denkbar, dass das omnidirektionale Rad eine Mehrzahl von Exzenterrädern aufweist, die relativ zueinander um die Drehachse des omnidirektionalen Rades verdreht angeordnet und über ein Getriebe miteinander verbunden sind. Der Antrieb des omnidirektionalen Rades kann auch in diesem Fall über eine Antriebswelle erfolgen, die über ein mit einem Exzenterrad verbundenes Zahnrad sämtliche Exzenterräder in Drehung versetzt. Vorteilhafterweise erfolgt die Anordnung der Mehrzahl der Exzenterräder hierbei derart, dass die Exzenterräder relativ zueinander gleichmäßig um die Drehachse verdreht angeordnet sind, die Phasendifferenz zwischen benachbarten Exzenterrädern also jeweils gleich ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des omnidirektionalen Rades ist darüber hinaus im Bereich der Antriebswelle ein Mittel vorgesehen, mittels dessen eine Unwucht ausgeglichen werden kann, die durch die an der Antriebswelle angeordneten Exzenterräder und die mit den Exzenterrädern verbundenen Bauteile verursacht ist. Das Mittel kann hierbei in Form eines verschiebbaren oder tarierbaren Gewichts ausgebildet sein, mittels dessen das omnidirektionale Rad präzise justiert werden kann.
Anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigen:
1A–1B schematische Darstellungen eines Reuleaux-Dreiecks und eines erweiterten Reuleaux-Dreiecks;
2A–2C schematische Darstellungen eines Reuleaux-Dreiecks in unterschiedlichen, verdrehten Positionen in einem Quadrat;
3A–3B schematische Darstellungen eines erweiterten Reuleaux-Dreiecks mit im Bereich der Eckpunkte des Reuleaux-Dreiecks angeordneten sekundären Rädern;
4 eine schematische Darstellung zweier erweiterter Reuleaux-Dreiecke, die relativ zueinander um 180° verdreht sind;
5 eine perspektivische Ansicht des omnidirektionalen Rades; und
6 eine Vorderansicht eines omnidirektionalen Rades mit zwei relativ zueinander um 180° verdrehten Exzenterrädern;
7 eine Seitenansicht des omnidirektionalen Rades;
8A–8C Konstruktionszeichnungen eines durch ein Reuleaux-Dreieck beschreibbaren Exzenterrads;
9 eine schematische Darstellung eines Reuleaux-Dreiecks mit im Bereich der Eckpunkte des Reuleaux-Dreiecks angeordneten sekundären Rädern und einem am Reuleaux-Dreieck angeordneten Zahnrad, das in einem Zahnkranz an einem Gehäuse umläuft;
10 eine perspektivische Darstellung einer Exzenterscheibe zur Verbindung der Antriebswelle mit der Exzenterachse;
11 eine Explosionsdarstellung eines Getriebes zwischen einem ersten und einem zweiten Exzenterrad;
12 eine schematische Darstellung zweier Reuleaux-Dreiecke, die relativ zueinander um 180° verdreht und über ein Getriebe miteinander verbunden sind;
13A–13D eine Vorderansichten des omnidirektionalen Rades in unterschiedlichen Positionen während der Abrollbewegung des omnidirektionalen Rades über einer Rollfläche.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke basiert auf der Verwendung von so genannten Gleichdicken, also geometrischen Figuren mit konstanter Breite, zur Konstruktion von omnidirektionalen Rädern. Ein Beispiel für ein solches Gleichdick ist das Reuleaux-Vieleck, insbesondere das Reuleaux-Dreieck oder das Reuleaux-Fünfeck. Grundlegend für die geometrischen Figuren der Gleichdicken ist, dass, wenn sie über eine Rollfläche abgerollt werden, sich zu keiner Zeit ihre Höhe über der Rollfläche ändert.
Zunächst werden im Folgenden Eigenschaften von Reuleaux-Vielecken insbesondere anhand von Reuleaux-Dreiecken beschrieben. Anschließend wird erläutert, wie solche Reuleaux-Vielecke für die Konstruktion von omnidirektionalen Rädern verwendet werden können.
Teile gleicher Funktion werden hierbei im Folgenden – soweit angebracht – durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
In der 1A ist beispielhaft ein Reuleaux-Dreieck R dargestellt, das Eckpunkte A, B, C aufweist und sich konstruieren lässt, indem um die Eckpunkte A, B, C eines gleichseitigen Dreiecks mit Kanten a, b, c mit den Seitenlängen L_R Kreisbögen b_R mit Radius I_R geschlagen werden, so dass ein gleichseitiges Dreieck mit konvex nach außen gewölbten Seiten entsteht.
Eine Variante des Reuleaux-Dreiecks R, nämlich das erweiterte Reuleaux-Dreieck R, ist in 1B dargestellt. Das erweiterte Reuleaux-Dreieck R wird konstruiert, indem die Seiten a, b, c über die Eckpunkte A, B, C hinaus um eine Länge I_P erweitert worden sind und Kreisbögen I_R um die Eckpunkte A, B, C mit dem Radius I_R + I_P geschlagen werden, wobei die Kreisbögen L_R im Bereich der Eckpunkte A, B, C durch Kreisbögen I_P mit dem Radius I_P miteinander verbunden werden. Es entsteht somit ein Reuleaux-Dreieck R, das im Bereich seiner Eckpunkte A, B, C abgerundet ist. Das erweiterte Reuleaux-Dreieck R gemäß 1B weist dabei alle wesentlichen Eigenschaften des einfachen Reuleaux-Dreiecks gemäß der 1A auf und stellt insbesondere auch ein Gleichdick dar.
In 2A bis 2C ist ein Reuleaux-Dreieck R in unterschiedlichen, zueinander verdrehten Positionen innerhalb eines Quadrats Q dargestellt. Kennzeichnend für ein Reuleaux-Dreieck R ist, wie aus 2A bis 2C ersichtlich ist, dass das Reuleaux-Dreieck R innerhalb des Quadrates Q vollständig drehbar ist, wobei stets alle vier Seiten des Quadrates Q mit der die Außenkontur des Reuleaux-Dreiecks R darstellenden Umfangslinie U in Kontakt stehen. Hieraus ergibt sich ein wesentlicher Vorteil bei Verwendung des Reuleaux-Dreiecks R für die Konstruktion eines omnidirektionalen Rades. Stellt nämlich eine Seite des Quadrates Q eine Rollfläche für ein durch das Reuleaux-Dreieck R definiertes Exzenterrad, das entlang der Umfangslinie U auf der Rollfläche abrollt, dar, so ändert sich die Höhe des Reuleaux-Dreiecks R über der Rollfläche zu keiner Zeit, sondern ist stets konstant. Gleichzeitig verschiebt sich der Mittelpunkt M_R des Reuleaux-Dreiecks R auf einer Ortskurve O, die näherungsweise kreisförmig ist und einen Durchmesser d_U aufweist. Der Durchmesser d_U der Ortskurve O ist hierbei abhängig von der Seitenlänge I_R des dem Reuleaux-Dreieck R zugrunde liegenden gleichseitigen Dreiecks und ist bestimmt durch die Gleichung: du = IR·(4/3·cos30° – 1). (1)
Wie aus 2A bis 2C weiterhin ersichtlich ist, ist die Ortskurve O hierbei konzentrisch zum Mittelpunkt des Quadrates Q angeordnet. Bei Verwendung eines durch das Reuleaux-Dreieck definierten Exzenterrads für ein omnidirektionales Rad weist die Drehachse 10 des omnidirektionalen Rades dann durch den Mittelpunkt des Quadrates Q. Ein Exzenterrad, dessen Außenkontur durch die Umfangslinie des Reuleaux-Dreiecks R beschrieben ist, und dessen Mittelpunkt M_R auf der Ortskurve O um die Drehachse 10 des omnidirektionalen Rades umläuft, rollt dann linear über einer einer Seite des Quadrates Q entsprechenden Rollfläche ab, wenn das Verhältnis zwischen der Drehgeschwindigkeit des Mittelpunktes M_R entlang der Ortskurve O und der Drehgeschwindigkeit des Reuleaux-Dreiecks R 1:–1/3 beträgt. Mit anderen Worten: Um ein lineares Abrollen des Reuleaux-Dreiecks R über eine Rollfläche zu erhalten, muss bei einer Umdrehung des Mittelpunktes M_R um die Ortskurve O in eine Drehrichtung D_M das Reuleaux-Dreieck R eine Drittel-Umdrehung in entgegen gesetzter Drehrichtung D_R ausführen. Das Verhältnis zwischen den Drehgeschwindigkeiten des Mittelpunktes M_R auf der Ortskurve O und dem Reuleaux-Dreieck R um seinen Mittelpunkt MR ergibt sich dabei zwangsläufig bei Verdrehung des Reuleaux-Dreiecks R in dem Quadrat Q.
Die beschriebenen Eigenschaften des Reuleaux-Dreiecks R bleiben erhalten, wenn das Reuleaux-Dreieck als erweitertes Reuleaux-Dreieck R ausgebildet ist. Insbesondere ist auch das erweiterte Reuleaux-Dreieck R innerhalb eines Quadrats Q analog zu den 2A–2C drehbar, wobei die Seitenlänge des Quadrats I_R + 2I_P beträgt.
Um ein omnidirektionales Rad mittels eines Reuleaux-Dreiecks R, müssen entlang des Umfangs des Reuleaux-Dreiecks R sekundäre Räder so angeordnet werden, dass die die Außenkontur darstellende Umfangslinie U des Reuleaux-Dreiecks R durch die Außenkontur der sekundären Räder in der Ebene des Reuleaux-Dreiecks R nachgebildet wird, damit das omnidirektionale Rad über die sekundären Räder abrollen kann. Hierbei ist die Verwendung eines als erweitertes Reuleaux-Dreieck ausgebildeten Reuleaux-Dreieck R (siehe 1B) vorteilhaft, da dieses aufgrund seiner abgerundeten Ecken im Bereich der Eckpunkte A, B, C keine Kanten entlang der Umfangslinie U aufweist, über die ein durch das Reuleaux-Dreieck R definiertes Exzenterrad eines omnidirektionalen Rades abgerollt werden muss.
Eine schematische Darstellung eines ein Exzenterrad 2 definierenden erweiterten Reuleaux-Dreiecks R mit im Bereich der Eckpunkte A, B, C angeordneten sekundären Rädern 21, 22, 23 ist in 3A und 3B dargestellt. Die sekundären Räder 21, 22, 23 sind um Radachsen 210, 220, 230 drehbar an dem durch das Reuleaux-Dreieck R beschriebenen Exzenterrad angeordnet, wobei die Radachsen 210, 220, 230 in der Ebene des Reuleaux-Dreiecks R liegen und jeweils senkrecht zu einer radialen, durch den Mittelpunkt M_R des erweiterten Reuleaux-Dreiecks und den betroffenen Eckpunkt A, B, C weisenden Linie ausgerichtet sind. Die Position der Radachsen 210, 220, 230 relativ zum jeweiligen Eckpunkt A, B, C ist dabei im Prinzip beliebig. Vom Abstand 1s einer jeden Radachse 210, 220, 230 vom Mittelpunkt M_R des Reuleaux-Dreiecks R ist jedoch der maximale Durchmesser d_S der sekundären Räder 21, 22, 23 abhängig. Je größer der Abstand der Radachsen 210, 220, 230 vom Mittelpunkt M_R ist, desto kleiner muss der maximale Durchmesser d_S der sekundären Räder gewählt werden. Wie aus 3A und 3B weiterhin ersichtlich ist, ist die Außenkontur der sekundären Räder 21, 22, 23 im Querschnitt in der Ebene des Reuleaux-Dreiecks R derart beschaffen, dass sie die Außenkontur des erweiterten Reuleaux-Dreiecks R nachbildet. Bei der Ausführungsform gemäß 3A sind die sekundären Räder 21, 22, 23 dabei gerade so breit so konstruiert, dass ihre Außenkontur jeweils gerade den Abschnitt L_P der Außenkontur des erweiterten Reuleaux-Dreiecks R überdeckt. Die sekundären Räder 21, 22, 23 bilden in diesem Fall die Außenkontur des Reuleaux-Dreiecks R lediglich im Bereich der Kreisbögen L_P nach. Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in 3B dargestellt. Die sekundären Räder 21, 22, 23 gemäß 3B weisen im Gegensatz zu den sekundären Rädern 21, 22, 23 gemäß 3A jeweils einen ersten Abschnitt 211, 221, 231 und beidseitig des ersten Abschnittes 211, 221, 231 einen zweiten Abschnitt 212, 222, 232 auf, dessen Außenkontur im Querschnitt in der Ebene des Reuleaux-Dreiecks R einem Teilabschnitt des Abschnitts I_R des Reuleaux-Dreiecks R nachbildet. Der erste Abschnitt 211, 221, 231 der Außenkontur des sekundären Rades 21, 22, 23 ist dabei durch den Kreisbogen I_P mit Radius I_P um jeweils einen Eckpunkt A, B, C des Reuleaux-Dreiecks R beschreibbar, während der zweite Abschnitt 212, 222, 232 durch einen Abschnitt des Kreisbogens L_R mit Radius I_R + I_P um den Eckpunkt A bzw. B definiert ist. Vorteil bei Verwendung eines sekundären Rades 21, 22, 23 mit einem ersten Abschnitt 211, 221, 231 und einem zweiten Abschnitt 212, 222, 232 ist, dass die Kontaktfläche zwischen den sekundären Rädern 21, 22, 23 und einer Rollfläche beim Abrollen des durch das Reuleaux-Dreieck R beschriebenen Exzenterrads 2 vergrößert ist, so dass das Exzenterrad 2 über die sekundären Räder 21, 22, 23 länger mit der Rollfläche in Kontakt steht.
Prinzipiell kann ein omnidirektionales Rad mit einem einzelnen Exzenterrad 2 in Form eines Reuleaux-Dreiecks R konstruiert sein. In diesem Fall müssten entlang des Umfangs des Reuleaux-Dreiecks R sekundäre Räder so angeordnet sein, dass die die Außenkontur des Reuleaux-Dreiecks R beschreibende Umfangslinie U durch die sekundären Räder nachgebildet ist und dadurch das omnidirektionale Rad über die Umfangslinie U abrollen kann.
Vorteilhaft ist jedoch, das omnidirektionale Rad mittels eines ersten und eines zweiten Exzenterrads herzustellen, die gegeneinander um die Drehachse des omnidirektionalen Rades verdreht sind. In diesem Fall reicht es aus, sekundäre Räder lediglich im Bereich der Eckpunkte des jedes Exzenterrad beschreibenden Reuleaux-Dreiecks anzuordnen. Die um 180° verdreht zueinander angeordneten, durch Reuleaux-Dreiecke bzw. erweiterte Reuleaux-Dreiecke beschriebenen Exzenterräder gewährleisten dann, dass stets ein sekundäres Rad an einem der beiden Exzenterräder mit der Rollfläche in Kontakt steht.
4 zeigt eine Anordnung mit zwei erweiterten Reuleaux-Dreiecken R, R', die jeweils um ihren Mittelpunkt M_R, M_R' drehbar sind, wobei sich die Mittelpunkte M_R, M_R' bei Umdrehung der Reuleaux-Dreiecke R, R' in einem Quadrat Q auf der Ortskurve O verschieben. Die beiden Reuleaux-Dreiecke R, R', die in der Darstellung gemäß 4 als erweiterte Reuleaux-Dreiecke ausgeführt sind, sind hierbei relativ zueinander um 180° verdreht. Die Reuleaux-Dreiecke R, R' sind jeweils innerhalb des Quadrates Q drehbar, wobei zu jedem Zeitpunkt jedes der Reuleaux-Dreiecke R, R' jede der vier Seiten des Quadrates Q berührt. Die Mittelpunkte M_R, M_R' liegen sich hierbei diametral auf der Ortskurve O gegenüber und verschieben sich bei Umdrehung der Reuleaux-Dreiecke R, R' auf derselben Ortskurve O. Bei Umdrehung der Reuleaux-Dreiecke R, R' innerhalb des Quadrates Q überlagern sich dann, ähnlich wie in 2A bis 2C dargestellt, zwei Drehbewegungen: Zum einen dreht sich jedes Reuleaux-Dreieck R, R' um seinen jeweiligen Mittelpunkt M_R, M_R' in eine Drehrichtung D_R, zum zweiten verschieben sich die beiden Mittelpunkte M_R, M_R' in eine zweite Drehrichtung D_N, die der Drehrichtung D_R der Reuleaux-Dreiecke R, R' entgegengesetzt ist, entlang der Ortskurve O.
Werden ausgehend von der schematischen Darstellung der 4 zur Konstruktion eines omnidirektionalen Rades Reuleaux-Dreiecke R, R' zur Definition eines ersten und eines zweiten Exzenterrads 2, 2' verwendet, im Bereich von deren Eckpunkten A, B, C, A', B', C' sekundäre Räder 21–23, 21'–23' angeordnet, wobei die dem Quadrat Q zugewandte Außenkontur der sekundären Räder 21–23, 21'–23' im Querschnitt in der Ebene des Quadrats Q durch die als erweiterte Reuleaux-Dreiecke ausgebildeten Reuleaux-Dreiecke R, R' definiert ist. Ausgehend von dieser Anordnung kann dann ein omnidirektionales Rad konstruiert werden, bei dem ausschließlich die im Bereich der Eckpunkte der Reuleaux-Dreiecke R, R' angeordneten sekundären Räder 21–23, 21'–23' mit den Seitenflächen des Quadrates Q in Kontakt treten und gleichzeitig ein Abrollen entlang der Umfangslinien U, U' der Exzenterräder 2, 2' gewährleistet ist. Grundlegend ist hierbei, dass, wenn kein sekundäres Rad 21–23, 21'–23' des einen Exzenterrads 2, 2' mit einer Rollfläche in Kontakt steht, das omnidirektionale Rad über ein sekundäres Rad 21–23, 21'–23' des anderen Exzenterrads 2, 2' abrollt und umgekehrt. Auf diese Weis ist gewährleistet, dass stets ein sekundäres Rad 21–23, 21'–23' des ersten oder des zweiten Exzenterrads 2, 2' an der Rollfläche anliegt und das omnidirektionale Rad somit abstützt.
Eine Ausführungsform eines omnidirektionalen Rades 1 mit jeweils durch ein Reuleaux-Dreieck definierten Exzenterrädern 2, 2' ist 5 bis 7 in einer perspektivischen Ansicht, einer Vorderansicht und einer Seitenansicht dargestellt. Die Exzenterräder 2, 2' sind jeweils drehbar um eine Exzenterachse 20, 20' angeordnet, wobei die Exzenterachsen 20, 20' jeweils durch den Mittelpunkt MR, MR' der die Exzenterräder 2, 2' beschreibenden Reuleaux-Dreiecke R, R' weisen (entsprechend der Anordnung in 4). Bei dem omnidirektionalen Rad gemäß 5 bis 7 sind die Exzenterräder 2, 2' relativ zueinander um 180° um die Drehachse 10 des omnidirektionalen Rades 1 verdreht angeordnet. Durch die verdrehte Anordnung der Exzenterräder 2, 2' wird sichergestellt, dass beim Abrollen des omnidirektionalen Rades 1 über einer Rollfläche stets ein sekundäres Rad 21–23, 21'–23' der Exzenterräder 2, 2' mit der Rollfläche in Kontakt steht. In der Ausführungsform gemäß 5 bis 7 sind die Exzenterräder 2, 2' des omnidirektionalen Rades 1 dabei mit einer Antriebswelle 8 verbunden, die sich entlang der Drehachse 10 des omnidirektionalen Rades 1 erstreckt. Zum Antrieb des omnidirektionalen Rades 1 wird die Antriebswelle 8 gedreht und hierdurch das über eine Exzenterscheibe 6 (siehe 7) mit der Antriebswelle 8 verbundene und relativ zur Antriebswelle 8 drehbar gelagerte Exzenterrad 2 in eine Drehung versetzt. Das Exzenterrad 2 ist hierbei über ein Getriebe 5 mit dem zweiten Exzenterrad 2' verbunden und versetzt das zweite Exzenterrad 2' in eine gleichgesinnte Drehbewegung.
Wie aus den 5 bis 7 ersichtlich ist, sind die Exzenterräder so konstruiert, dass die sekundären Räder 21–23, 21'–23' ausschließlich im Bereich der Eckpunkte A, B, C, A', B', C' angeordnet sind. Die Außenkontur der sekundären Räder im Querschnitt in der Ebene der die Exzenterräder 2, 2' beschreibenden Reuleaux-Dreiecke R, R' (siehe 4 in Zusammenschau mit 6) bildet dann die Außenkontur der Reuleaux-Dreiecke R, R' im Bereich der Eckpunkte A, B, C, A', B', C' der Reuleaux-Dreiecke R, R' nach, während die anderen Abschnitte der Umfangslinie U der Reuleaux-Dreiecke R, R', insbesondere die Kreisbögen I_R nur unvollständig nachgebildet bzw. freigelassen sind.
Die sekundären Räder 21–23, 21'–23' sind hierbei bevorzugt passiv ausgebildet, also nicht separat angetrieben. Prinzipiell ist aber auch eine Ausführung des omnidirektonalen Rades 1 mit unabhängig von einander angetriebenen sekundären Rädern 21–23, 21'–23' möglich.
Bei Drehung der Antriebswelle 8 wird die Exzenterachse 20 des ersten Exzenterrads 2 entlang der Ortskurve O um die konzentrisch zur Antriebswelle 8 liegende Drehachse 10 des omnidirektionalen Rades 1 bewegt. Dabei kämmt ein Zahnrad 3, das starr mit dem ersten Exzenterrad 2 verbunden ist, mit einem Zahnkranz 4 und bewirkt eine Drehung des Exzenterrads 2 um seine Exzenterachse 20. Das Exzenterrad 2 dreht sich hierbei entgegengesetzt der Antriebswelle 8 mit einer Drehgeschwindigkeit, die einem Drittel der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle entspricht. Über das Getriebe 5 wird die Drehbewegung des ersten Exzenterrads 2 dann gleichsinnig auf das zweite Exzenterrad 2' übertragen.
Um ein omnidirektionales Rad mit zwei Exzenterräder 2, 2' gemäß dem in der 4 dargestellten Prinzip zu konstruieren, muss erreicht werden, dass bei einer Umdrehung des omnidirektionalen Rades um seine Drehachse 10, die konzentrisch zum Mittelpunkt des Quadrates Q (siehe 2 und 4) angeordnet ist, sich zum einen jedes Exzenterrad 2, 2' um seine Exzenterachse 20, 20', die jeweils konzentrisch zum Mittelpunkt M_R, M_R' des das jeweilige Exzenterrad 2, 2' definierenden Reuleaux-Dreiecks R, R' angeordnet ist, dreht und die Exzenterachse 20, 20' sich gleichzeitig entlang der Ortskurve O verschiebt. Die Drehbewegungen der Exzenterräder 2, 2' zum einen und der Exzenterachsen 20, 20' auf der Ortskurve O zum anderen müssen hierbei gegensinnig sein, wobei bei genau einer Umdrehung der Exzenterachsen 20, 20' um die Ortskurve O die Exzenterräder 2, 2' genau eine Drittel-Umdrehung um die jeweilige Exzenterachse 20, 20' in entgegen gesetzter Richtung zur Drehrichtung der Exzenterachsen 20, 20' um die Ortskurve O ausführt.
In 8A bis 8C sind Konstruktionszeichnungen eines Exzenterrads 2 mit einem fest mit dem Exzenterrad 2 verbundenen Zahnrad 3 dargestellt. In 9 ist weiterhin schematisch dargestellt, wie eine Drehbewegung der Antriebswelle 8 um die Drehachse 10 des omnidirektionalen Rades 1 in eine exzentrische Drehbewegung des Exzenterrads 2 übersetzt werden kann. Wie in 8A bis 8C sichtbar ist, sind im Bereich der Eckpunkte eines das Exzenterrad 2 beschreibenden Reuleaux-Dreiecks R sekundäre Räder 21 bis 23 drehbar angeordnet. Die bogenförmigen Abschnitte des Reuleaux-Dreiecks R sind hierbei freigelassen, so dass beim Abrollen des omnidirektionalen Rades 1 über einer Rollfläche lediglich die sekundären Räder 21 bis 23 mit der Rollfläche in Kontakt treten. Die Außenkontur der sekundären Räder 21 bis 23 ist im Querschnitt in der Ebene des Reuleaux-Dreiecks R (8B), wie anhand von 3A und 3B beschrieben, durch ein erweitertes Reuleaux-Dreieck R definiert.
Am Exzenterrad 2 ist ein Zahnrad 3 ausgebildet und mit dem Exzenterrad 2 fest verbunden. Dieses Zahnrad 3 läuft, wie in 9 angedeutet ist, innerhalb eines Zahnkranzes 4 um und steht dabei mit dem Zahnkranz 4 in Eingriff. Bei einer Umdrehung des Exzenterrads 2 kämmt das Zahnrad 3 dann mit dem Zahnkranz 4, so dass das Exzenterrad 2 sich dreht und dabei gleichzeitig die durch den Mittelpunkt M_R weisende Exzenterachse 20 sich entlang der Ortskurve O verschiebt. Der Durchmesser 3d_U des Zahnrades 3 ist hierbei so gewählt, dass er dem dreifachen Durchmesser d_U der Ortskurve O entspricht, während der Durchmesser 4d_U des Zahnkranzes 4 das Vierfache des Durchmessers du der Ortskurve O beträgt. Bei einem Umlauf des Zahnrades 3 in dem Zahnkranz 4, wobei sich folglich die durch den Mittelpunkt M_R weisende Exzenterachse 20 einmal um die Ortskurve O bewegt, dreht sich das Exzenterrad 2 dann genau eine Drittel-Umdrehung in der Bewegung der Exzenterachse 20 um die Ortskurve entgegen gesetzter Drehrichtung. Wird ein omnidirektionales Rad 1, das mittels des Exzenterrads 2 konstruiert ist, um die Antriebswelle 8, die senkrecht zur Zeichnungsebene der 9 durch das Zentrum der Ortskurve O weist, angetrieben und ist die Exzenterachse 20 des Exzenterrads 2 exzentrisch mit der Antriebswelle 8 verbunden, so wird eine Drehung der Antriebswelle 8 in eine Verschiebung der Exzenterachse 20 entlang der Ortskurve O um die Antriebswelle 10 übertragen. Die Antriebswelle 8 bewegt die Exzenterachse 20 entlang der Ortskurve, wobei das Zahnrad 3 mit dem Zahnkranz 4 kämmt und somit das Exzenterrad 2 in eine Drehung versetzt.
Bei dem Exzenterrads 2 gemäß 7A bis 7C sind die bogenförmigen Bereiche L_R des das Exzenterrad 2 beschreibenden Reuleaux-Dreiecks R freigelassen. Bei einer Konstruktion des omnidirektionalen Rades mit nur einem Exzenterrad 2 würde das Exzenterrad 2 dann nicht entlang des Umfangs des Reuleaux-Dreiecks R (siehe 2A bis 2C) entlang einer Rollfläche abrollen. Prinzipiell ist eine Konstruktion des omnidirektionalen Rades mit nur einem Exzenterrad 2 möglich. In diesem Fall müsste aber auch in den bogenförmigen Abschnitten L_R des das Exzenterrad 2 beschreibenden Reuleaux-Dreiecks R sekundäre Räder angeordnet werden, über die das Exzenterrad 2 bei Umdrehung des omnidirektionalen Rades auf einer Rollfläche abrollen kann. Bevorzugt wird das omnidirektionale Rad jedoch mittels zwei Exzenterrädern 2 konstruiert, die relativ zueinander um die Drehachse 10 des omnidirektionalen Rades 1 verdreht angeordnet sind.
In 10 ist die Gestalt der Exzenterscheibe 6, die ein Verbindungsmittel zwischen der Antriebswelle 8 und der Exzenterachse 20 zur Verbindung der Exzenterachse 20 mit der Antriebswelle 8 darstellt. Die Exzenterscheibe 6 ist zylindrisch ausgebildet und weist zwei Löcher zur Aufnahmen der Antriebswelle 8 und der Exzenterachse 20 auf. Die Exzenterscheibe ist hierbei starr mit der Antriebswelle 8 und der Exzenterachse 20 verbunden, wobei die Antriebswelle 8 konzentrisch an der Exzenterscheibe 6 angeordnet ist, während die Exzenterachse 20 mit einem Abstand, der dem halben Durchmesser du entspricht, von der Antriebswelle 8 an der Exzenterscheibe 6 angeordnet ist. Die Exzenterscheibe 6 weist weiterhin Mittel in einer Form einer Aufnahme 61 auf, in die ein Justiergewicht geschoben und so mit der Exzenterscheibe 6 verbunden werden kann, um eine durch die Exzenterräder 2, 2' und die mit den Exzenterrädern 2, 2' verbundene Bauteile verursachte Unwucht auszugleichen.
Die Antriebswelle 8 bewegt, wie oben erläutert, die Exzenterachse 20 des ersten Exzenterrads 2 entlang der Ortskurve O um die Drehachse 10 des omnidirektionalen Rades 1. Um die Drehbewegung der Antriebswelle 8 auch auf das zweite Exzenterrad 2' zu übertragen, ist zwischen dem ersten Exzenterrad 2 und dem zweiten Exzenterrad 2' ein Getriebe 5 vorgesehen, das die Drehbewegung des ersten Exzenterrads 2 auf das zweite Exzenterrad 2' überträgt. Eine Explosionsdarstellung des Getriebes 5 ist in 11 dargestellt. Die Funktionsweise des Getriebes 5 ist darüber hinaus in 12 näher erläutert. Das Getriebe 5 weist Getrieberäder 51, 52, 53 auf, von denen das Getrieberad 51 fest mit dem ersten Exzenterrad 2 verbunden ist und mit den Getrieberädern 52 in Eingriff steht. Die Getrieberäder 52 wiederum stehen in Eingriff mit dem Getrieberad 53, das fest mit dem zweiten Exzenterrad 2' verbunden ist. Das Getriebe weist Halterungen 54 auf, die fest mit der Exzenterachse 20 verbunden sind und zur Lagerung der Getrieberäder dienen. Das Getrieberad 53 wiederum ist fest mit der Exzenterachse 20' des zweiten Exzenterrads 2' verbunden und drehbar in den Halterungen 54 gelagert. Die übrigen Getrieberäder 52, die auf Drehachsen 520 angeordnet und mit diesen fest verbunden sind, sind ebenfalls drehbar in den Halterungen 54 gelagert. Zur Lagerung der Drehachsen 520 und der zweiten Exzenterachse 20' können hierbei beispielsweise Kugellager 521 verwendet werden.
Die Funktionsweise des Getriebes kann anhand von 12 erläutert werden. Dreht sich das Exzenterrad 2, beispielsweise infolge einer Umdrehung der Antriebswelle 8, in eine Drehrichtung D_R, so wird das mit dem Exzenterrad 2 fest verbundene Getrieberad 51 ebenfalls in eine Drehbewegung in Drehrichtung D_R versetzt. Das Getrieberad 51, das, wie aus 11 ersichtlich ist, mit den Getrieberädern 52 in Eingriff steht, versetzt die Getrieberäder 52 in Drehung um eine Drehrichtung D_G, die der Drehrichtung D_R des Getrieberades 51 entgegen gesetzt ist. Die Getrieberäder 52 wiederum stehen mit dem mit dem zweiten Exzenterrad 2' fest verbundenen Getrieberad 53 in Eingriff und versetzen somit das Getrieberad 53 in eine Drehbewegung in Drehrichtung D_R, so dass sich das mit dem zweiten Exzenterrad 2' fest verbundene Getrieberad 53 gleichsinnig mit dem Getrieberad 51 bewegt. Mittels des Getriebes 5 wird somit die Drehbewegung des ersten Exzenterrads 2 um die erste Exzenterachse 20 in eine gleichsinnige Drehbewegung des zweiten Exzenterrads 2' um die zweite Exzenterachse 20' übertragen. Das Verhältnis der Durchmesser der Getrieberäder 51, 53 zu den Getrieberädern 52 ist prinzipiell beliebig. Wesentlich ist jedoch, dass das Getriebe die Drehbewegung des ersten Exzenterrads 2 gleichsinnig und mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 auf das zweite Exzenterrad 2' überträgt.
In 13A bis 13B ist die Abrollbewegung des omnidirektionalen Rades 1 über einer Rollfläche E dargestellt. Das mittels der zwei Exzenterräder 2, 2' konstruierte omnidirektionale Rad 1 dreht sich hierbei um seine Drehachse 10, wobei die Höhe H der Drehachse 10 über der Rollfläche E während der Drehbewegung konstant bleibt. Wie aus 13A bis 13D ersichtlich ist, dreht sich das omnidirektionale Rad 1 in Gestalt seiner Exzenterräder 2, 2' in eine Drehrichtung D_R, wobei sich die Exzenterachsen 20, 20' des ersten bzw. zweiten Exzenterrads 2, 2' in entgegen gesetzter Richtung um die Drehachse 10 des omnidirektionalen Rades 1 bewegen. Wie oben erläutert, erfolgt die Bewegung der Exzenterachsen 20, 20', die senkrecht zur dargestellten Zeichnungsebene durch die Mittelpunkte M_R, M_R' der die Exzenterräder 2, 2' beschreibenden Reuleaux-Dreiecke R, R' (siehe 4) weisen, entlang der Ortskurve O, wobei die Geschwindigkeit der Exzenterachsen 20, 20' entlang der Ortskurve O das Dreifache der Drehgeschwindigkeit der Exzenterräder 2, 2' um die jeweiligen Exzenterachsen 20, 20' beträgt.
In der in 13A dargestellten Position steht das sekundäre Rad 23' mit der Rollfläche E in Kontakt. Wird das omnidirektionale Rad 1 in Drehrichtung D_R verdreht, so nähert sich das sekundäre Rad 21 am ersten Exzenterrad 2 der Rollfläche E an (13B, 13C) und tritt mit der Rollfläche E in Kontakt (13D). Im Übergang von 13A zu 13B hat sich das omnidirektionale Rad um genau eine Zwölftel-Umdrehung verdreht, so dass in der in 13D dargestellten Position das sekundäre Rad 23' des zweiten Exzenterrads 2' und gleichzeitig das sekundäre Rad 21 des ersten Exzenterrads 2 mit der Rollfläche E in Kontakt stehen. Gleichzeitig haben sich die Exzenterachsen 20, 20' in eine Drehrichtung D_M entgegengesetzt zur Drehrichtung D_R der Exzenterräder 2, 2' entlang der Ortskurve O genau um eine Drittel-Umdrehung verschoben.
Bei fortgesetztem Abrollen ausgehend den von der Position gemäß 13D erhebt sich das sekundäre Rad 23' des zweiten Exzenterrads 2' von der Rollfläche E, das omnidirektionale Rad 1 rollt über das sekundäre Rad 21 des ersten Exzenterrads 2 ab und das sekundäre Rad 22' des zweiten Exzenterrads 2' nähert sich der Rollfläche E. Diese Rollbewegung wird fortgesetzt, wobei sich abwechselnd die sekundären Räder 21–23, 21'–23' des ersten Exzenterrads 2 und des zweiten Exzenterrads 2' mit der Rollfläche E in Kontakt treten und auf dieser abrollen.
Aus 13A bis 13D ist ebenfalls ersichtlich, dass die Außenkontur der sekundären Räder 21 bis 23, 21' bis 23', die, wie anhand von 3A und 3B oben erläutert worden ist, durch die Außenkontur eines erweiterten Reuleaux-Dreiecks definiert ist, stets tangential an der Rollfläche E anliegt. Dieses ist dadurch bewirkt, dass die Außenkontur der sekundären Räder 21–23, 21'–23' im Querschnitt parallel zur Zeichnungsebene von 13A bis 13D abschnittsweise die Außenkontur der die Exzenterräder 2, 2' beschreibenden erweiterten Reuleaux-Dreiecke R, R' nachbildet.
Beim Abrollen des omnidirektionalen Rades 1 um die Drehachse 10 verändert sich die Höhe H der Drehachse 10 über der Rollfläche E nicht, sondern bleibt, wie im Übergang von der Position gemäß 13A zur Position in 13B ersichtlich ist, konstant. Dieses spiegelt einen wesentlichen Vorteil des omnidirektionalen Rades 1 wider. Mittels der Verwendung der Exzenterräder 2, 2' wird ein vollständig vibrationsfreies Abrollen des omnidirektionalen Rades über der Rollfläche ermöglicht, da sich die Höhe der Antriebsachse 10 und somit eines Fahrzeuges, an dem das omnidirektionale Rad 1 angeordnet ist, während der Fahrt nicht ändert.
Omnidirektionale Räder, die von dem erfindungsgemäßen Prinzip Gebrauch machen und, wie oben anhand von Beispielen erläutert, ausgeführt sein können, sind für eine Vielzahl von unterschiedlichsten Anwendungen geeignet. Wesentlicher Vorteil von omnidirektionalen Rädern, die durch Reuleaux-Dreiecke oder -Vielecke definierte Exzenterräder verwenden, ist, dass Fahrzeugen ein Fahren in jede mögliche Richtung entlang einer Fläche bei laufruhigem, vibrationsfreien Fahrverhalten ermöglicht wird. Beispielsweise können solche omnidirektionalen Räder für Nutzfahrzeuge zum Tragen großer Lasten, beispielsweise Gabelstaplern, verwendet werden. Die Verwendung der beschriebenen omnidirektionalen Räder erlaubt hier ein Operieren auch auf engstem Raum und mit hoher Präzision. Gleichermaßen sind omnidirektionale Räder für Rollstühle einsetzbar, die mit erhöhter Bewegungsfreiheit präzise und leicht gesteuert werden können. Auch eine Verwendung von omnidirektionalen Rädern im Automobilbau unter Verwendung des Erfindungsprinzips ist denkbar. Die erfindungsgemäßen omnidirektionalen Räder ermöglichen insbesondere hohe Drehgeschwindigkeiten und eine präzise Steuerung, so dass ein Auto auf engstem Raum manövrierbar wäre, beispielsweise seitwärts ausparken könnte, wobei ein mechanisches Lenksystem entfallen könnte.

1: Omnidirektionales Rad
10: Drehachse des omnidirektionalen Rades
2, 2': Exzenterrad
20, 20': Exzenterachse
21–23, 21'–23': Sekundäres Rad
210, 220, 230: Radachse des sekundären Rades
210', 220', 230': Radachse des sekundären Rades
231: Erster Abschnitt des sekundären Rades
232: Zweiter Abschnitt des sekundären Rades
3: Zahnrad
4: Zahnkranz
5: Getriebe
51–53: Getrieberad
520: Drehachse
521, 531: Lager
6: Exzenterscheibe
61: Ausgleichsmittel
7: Gehäuse
8: Antriebswelle
a, b, c: Kante des Reuleaux-Dreiecks
A, B, C: Eckpunkt des Reuleaux-Dreiecks
A', B', C': Eckpunkt des Reuleaux-Dreiecks
b_R: Bogen des Reuleaux-Dreiecks
D_M: Drehrichtung des Mittelpunkts des Reuleaux-Dreiecks
D_R: Drehrichtung des Exzenterrads
D_G: Drehrichtung des Getrieberads
d_S: Maximaler Durchmesser des sekundären Rades
d_U: Durchmesser der Ortskurve
3dU: Durchmesser des Zahnrades
4dU: Durchmesser des Zahnkranzes
E: Rollfläche
H: Höhe der Drehachse des omnidirektionalen Rades über der Rollfläche
I_P: Krümmungsradius des ersten Abschnitts des sekundären Rades
L_P: Abschnitt des Reuleaux-Dreiecks mit Radius I_P
I_R: Kantenlänge des Reuleaux-Dreiecks
I_R: Abschnitt des Reuleaux-Dreiecks mit Radius Ir + Ip
I_S: Abstand der Radachse vom Mittelpunkt des Reuleaux-Dreiecks
M_R, M_R': Mittelpunkt des Reuleaux-Dreiecks
Q: Quadrat
R, R': Reuleaux-Dreieck
U, U': Umfangslinie
α: Winkel des Kreisbogens des ersten Abschnitts des sekundären Rades

Claims

Omnidirektionales Rad, das zum Abrollen auf einer Rollfläche um eine Drehachse drehbar ist und das über sekundäre Räder, die drehbar entlang einer Umfangslinie des omnidirektionalen Rades hintereinander angeordnet sind, auf der Rollfläche abrollbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das omnidirektionale Rad (1) ein die sekundären Räder (21–23, 21'–23') tragendes Exzenterrad (2, 2') aufweist, das um eine zur Drehachse (10) des omnidirektionalen Rades (1) beabstandete Exzenterachse (20, 20') drehbar und durch ein Reuleaux-Vieleck definiert ist, dessen Mittelpunkt (M_R, M_R') konzentrisch mit der Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') ist und dessen äußerer Umfang die Umfangslinie (U, U') des omnidirektionalen Rades (1) bildet.
Omnidirektionales Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Mittelpunkt (M_R, M_R') des das Exzenterrad (2, 2') definierenden Reuleaux-Vielecks beim Abrollen des omnidirektionalen Rades (1) auf der Rollfläche (E) entlang einer Ortskurve (O) so verschiebt, dass die Höhe (H) der Drehachse (10) des omnidirektionalen Rades (1) über der Rollfläche (E) näherungsweise konstant ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reuleaux-Vieleck ein Reuleaux-Dreieck (R, R') oder ein Reuleaux-Fünfeck ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reuleaux-Vieleck als erweitertes Reuleaux-Dreieck (R, R') ausgebildet ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das omnidirektionale Rad (1) mit einer um die Drehachse (10) des omnidirektionalen Rades (1) drehbar in einem Gehäuse (7) gelagerten Antriebswelle (8) verbunden ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das omnidirektionale Rad (1) sich im Wesentlichen senkrecht zu seiner Drehachse (10) erstreckt.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') sich in einer Richtung parallel zur Drehachse (10) des omnidirektionalen Rades (1) erstreckt und beabstandet zu dieser angeordnet ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortskurve (O), auf der sich der Mittelpunkt (M_R, M_R') des das Exzenterrad (2, 2') definierenden Reuleaux-Vielecks während der Umdrehung des omnidirektionalen Rades (1) verschiebt, abschnittsweise durch Ellipsenabschnitte beschreibbar ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortskurve (O) näherungsweise durch einen Kreis beschreibbar ist, der konzentrisch zur Drehachse (10) des omnidirektionalen Rades (1) liegt und dessen Durchmesser (d_U) durch die Seitenlänge des das Exzenterrad (2, 2') definierenden Reuleaux-Vielecks bestimmt ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterachse (20, 20') über ein Verbindungsmittel mit der Antriebswelle (8) verbunden ist.
Omnidirektionales Rad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel als Exzenterscheibe (6) ausgebildet ist, die mit der Antriebswelle (8) der Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') starr verbunden ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Exzenterrad (2, 2') konzentrisch zur Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') ein Zahnrad (3) angeordnet und mit dem Exzenterrad (2, 2') starr verbunden ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (3) in einem Zahnkranz (4), der konzentrisch zur Antriebswelle (8) ortsfest in dem Gehäuse (7) angeordnet ist, umläuft und mit diesem in Eingriff steht.
Omnidirektionales Rad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (3) den dreifachen Durchmesser (3d_U ) und der Zahnkranz den vierfachen Durchmesser (4d_U ) der kreisförmigen Ortskurve (O), auf der sich der Mittelpunkt (M_R, M_R') des das Exzenterrad (2, 2') definierenden Reuleaux-Vielecks während der Umdrehung des omnidirektionalen Rades (1) näherungsweise verschiebt, aufweist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich von jedem Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') des das Exzenterrad (2, 2') definierenden Reuleaux-Vielecks mindestens ein um eine Radachse (210, 220, 230, 210', 220', 230') drehbares, dem jeweiligen Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') zugeordnetes sekundäres Rad (21–23, 21'–23') angeordnet ist.
Omnidirektionales Rad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Radachse (210, 220, 230, 210', 220', 230') des mindestens einen sekundären Rades (21–23, 21'–23') senkrecht zur Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') und senkrecht zu einer Linie, die durch den Mittelpunkt (M_R, M_R') des Reuleaux-Vielecks und den dem mindestens einen sekundären Rad (21–23, 21'–23') zugeordneten Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') weist, ausgerichtet ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radachse (210, 220, 230, 210', 220', 230') des mindestens einen sekundären Rades (21–23, 21'–23') radial vom Mittelpunkt (M_R, M_R') des Reuleaux-Vielecks beabstandet ist und durch den Abstand (I_S) der Radachse (210, 220, 230, 210', 220', 230') vom Mittelpunkt des Reuleaux-Vielecks der maximale Durchmesser (d_S) des mindestens einen sekundären Rades (21–23, 21'–23') bestimmt ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des sekundären Rades (21–23, 21'–23') im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') durch die Umfangslinie (U, U') eines erweiterten Reuleaux-Vielecks definiert ist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des sekundären Rades (21–23, 21'–23') im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') in einem ersten Abschnitt (L_P) einen konstanten Krümmungsradius (I_P) aufweist.
Omnidirektionales Rad nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des ersten Abschnitts (L_P) des mindestens einen sekundären Rades (21–23, 21'–23') im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') einen konstanten radialen Abstand von dem dem mindestens einen sekundären Rad (21–23, 21'–23') zugeordneten Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') des Reuleaux-Vielecks (R, R') aufweist.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des mindestens einen sekundären Rades (21–23, 21'–23') im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') in dem ersten Abschnitt (L_P) durch einen einen Winkel (α) überdeckenden Kreisbogen beschreibbar ist, wobei der Winkel (α) des Kreisbogens durch zwei Linien definiert ist, die durch den dem mindestens einen sekundären Rad (21–23, 21'–23') zugeordneten Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') und jeweils einen dem zugeordneten Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') gegenüberliegenden Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') des Reuleaux-Vielecks weisen.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des mindestens einen sekundären Rades (21–23, 21'–23') im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') in einem zweiten Abschnitt (L_R) durch einen Kreisbogen mit einem konstanten Krümmungsradius (I_R + I_P) definiert ist.
Omnidirektionales Rad nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des mindestens einen sekundären Rades (21–23, 21'–23') im Querschnitt senkrecht zur Exzenterachse (20, 20') des Exzenterrads (2, 2') in dem zweiten Abschnitt (L_R) durch einen Kreisbogen um einen Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') des Reuleaux-Vielecks, der dem dem mindestens einen sekundären Rad (21–23, 21'–23') zugeordneten Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') gegenüberliegt, definiert ist, wobei der Radius des Kreisbogens dem Abstand zwischen dem dem mindestens einen sekundären Rad zugeordneten Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') und dem dem zugeordneten Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') gegenüberliegenden Eckpunkt (A, B, C, A', B', C') zuzüglich dem Krümmungsradius (I_P) der Außenkontur des ersten Abschnitts (L_P) des sekundären Rades (21–23, 21'–23') entspricht.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das omnidirektionale Rad (1) ein erstes und ein zweites Exzenterrad (2, 2') aufweist, die jeweils durch ein Reulaux-Vieleck definiert sind und im Bereich ihrer Eckpunkte (A, B, C, A', B', C') sekundäre Räder (21–23, 21'–23') tragen, wobei das erste Exzenterrad (2) um eine erste Exzenterachse (20) und das zweite Exzenterrad (2') um eine zweite Exzenterachse (20') drehbar gelagert sind.
Omnidirektionales Rad nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Exzenterrad (2, 2') relativ zueinander um die Drehachse (10) des omnidirektionalen Rades (1) verdreht angeordnet sind.
Omnidirektionales Rad nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Exzenterrad (2, 2') relativ zueinander um die Drehachse (10) des omnidirektionalen Rades (1) um 180° verdreht angeordnet sind, so dass sich die Mittelpunkte (M_R, M_R') der das erste und das zweite Exzenterrad (2, 2') definierenden Reuleaux-Vielecke auf der Ortskurve (O) diametral gegenüber liegen.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Exzenterrad (2, 2') über ein Getriebe (5) miteinander verbunden sind.
Omnidirektionales Rad nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) die Drehbewegung des ersten Exzenterrads (2) mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 unter Aufrechterhaltung des Drehsinns (D_R) auf das zweite Exzenterrad (2') überträgt.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das omnidirektionale Rad (1) eine Mehrzahl von Exzenterrädern (2, 2') aufweist, die relativ zueinander um die Drehachse (10) des omnidirektionalen Rades (1) verdreht angeordnet und über ein Getriebe (5) miteinander verbunden sind.
Omnidirektionales Rad nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Antriebswelle (8) Mittel (61) vorgesehen sind, um eine Unwucht der an der Antriebswelle (8) angeordneten Exzenterräder (2, 2') und von mit den Exzenterrädern (2, 2') verbundenen Bauteilen auszugleichen.