DE102009053496A1

DE102009053496A1 - Ball wheel has three ball segments, which are connected with axis in polar axis orthogonal to intersection of ball segment, where axis is connected with circular support plates

Info

Publication number: DE102009053496A1
Application number: DE200910053496
Authority: DE
Inventors: Helmut Fritz
Original assignee: Fritz Helmut Dr Ing
Current assignee: Fritz Helmut Dr Ing
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-19

Abstract

The ball wheel has three ball segments (1,2,3), which are connected with an axis in the polar axis orthogonal to the intersection of the ball segment. The axis is connected with circular support plates (5), which are arranged centrally in the intersections between the ball segments. The circular support plates have a small diameter than the adjacent ball segments and project at two opposite sides over the periphery of the adjacent ball segments.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelrad gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a ball wheel according to the preamble of claim 1.

Aus verschiedenen Technikbereichen ist die Aufgabenstellung und deren Realisierung bekannt, Objekte omnidirektional auf einer Fahrebene zu bewegen. Als Objektbeispiele seien hier der Rollstuhl, Möbel, Flurförderzeuge aber auch Roboter genannt.From various technical fields, the task and its realization is known to move objects omnidirectional on a driving plane. Object examples here are the wheelchair, furniture, industrial trucks but also called robots.

Die technischen Lösungen lassen sich im Wesentlichen in vier Gruppen einteilen:

1. Gleitvorrichtungen
2. Lenkrollen/-räder mit Nachlauf
3. Kugelrollen
4. Omniwheels

The technical solutions can essentially be divided into four groups:

1. Sliding devices
2. Swivel castors with caster
3. Ball rollers
4. Omniwheels

Der Stand der Technik ist ausführlich in den Veröffentlichungen 1)

1): Lars Hagemeier, Laborexperimentelle und klinische Prüfung der Fahreigenschaften unterschiedlicher Vorderradsysteme handbetriebener Rollstühle, Dissertation, Hannover, 2007. Seite 9 ff sowie 65 f

und 2)

2): Siciliano e. a., Handbook of Robotics, Springer, 2008, Seite 392 ff

dargelegt einschließlich der Schwachstellen der jeweiligen Technik. Zusammenfassend ergibt sich folgendes Bild:
Gleitvorrichtungen finden wegen ihres hohen Reibungswiderstandes im wesentlichen nur bei Möbeln Anwendung. Lenkrollen mit Nachlauf haben den gravierenden Nachteil, dass es bei engen Kurvenfahrten zu einem Verkanten des Nachlaufrades kommen kann. Hierbei sind, abhängig von der Stellung des Nachlaufrades zum Teil erhebliche Kräfte bei der Einleitung der Fahrt in eine neue Fahrtrichtung aufzubringenThe prior art is detailed in the publications 1)

1): Lars Hagemeier, Laboratory and clinical testing of the driving characteristics of different front wheel systems of hand-operated wheelchairs, Dissertation, Hannover, 2007. Page 9 ff and 65 f

and 2)

2): Siciliano ea, Handbook of Robotics, Springer, 2008, page 392 ff

including the weaknesses of the respective technology. In summary, the following picture emerges:
Sliders are due to their high frictional resistance essentially only in furniture application. Castors with caster have the serious disadvantage that it can lead to tilting of the trailing wheel in tight cornering. Here are, depending on the position of the trailing wheel to apply in part considerable forces in the initiation of driving in a new direction

Die Kugelrolle hat demgegenüber zwar eine allseitig gleiche Beweglichkeit, ist jedoch abhängig vom Bodenbelag schmutzempfindlich und weist höhere Reibungsverluste als das Exzenterrad auf.In contrast, the ball roller has the same mobility on all sides, but is dirt-sensitive depending on the floor covering and has higher friction losses than the eccentric wheel.

Entsprechendes gilt für das Omniwheel, was in der Literatur auch als Swedish Wheel bekannt ist.The same applies to the Omniwheel, which is also known in the literature as the Swedish Wheel.

Weiterhin ist vom Japanese Patent Office mit der Publication number 2007210576 A ein omnidirektionales Kugelrad bekannt gemacht.Furthermore, from the Japanese Patent Office with the publication number 2007210576 A an omnidirectional ball wheel made known.

Das dort veröffentlichte Kugelrad löst die Erfindungsaufgabe der omnidirektionalen Bewegung durch zwei Halbkugeln, die mittig durch eine Tragscheibe geführt werden, die einseitig mit einer externen Drehachse verbunden ist.The ball wheel published there solves the invention task of omnidirectional motion by two hemispheres, which are guided centrally through a support disc, which is connected on one side with an external axis of rotation.

Nachteilig ist bei dieser Konstruktionsart, dass die Tragscheibe im Falle großer Traglasten massiv ausgebildet werden muß und dem zufolge bei größerer Dicke der Tragscheibe durch die damit verbundene zwangläufig breitere Spurrille das Rollverhalten des Kugelrades ungünstig beeinflusst wird.The disadvantage of this design is that the support disk must be made massive in the case of large loads and, consequently, the roll behavior of the ball wheel is unfavorably influenced by a larger thickness of the support plate by the associated inevitably wider track groove.

Erfindungsgemäße Aufgabe und LösungInventive task and solution

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Konstruktionsnachteil des Kugelrades bestehend aus zwei Halbkugeln zu beheben.The present invention has for its object to overcome this design disadvantage of the ball wheel consisting of two hemispheres.

Gelöst wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Teilen des Anspruches 1. Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.The object is achieved with the characterizing parts of claim 1. Further features of the invention will become apparent from the dependent claims in conjunction with the description and the drawings.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist, näher beschrieben. Dabei zeigt:The invention will be described in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawings. Showing:

1 bis 3 orthogonale Ansichten des Kugelrades in der Ausführungsvariante schalenförmig ausgebildeter Kugelsegmente mit doppelt gekrümmten Trag- und Kopfscheiben 1 to 3 orthogonal views of the ball wheel in the embodiment shell-shaped spherical segments with double-curved support and head discs

4 bis 6 die dazugehörigen Schnitte 4 to 6 the corresponding cuts

7 eine Variante für die Lagerung der Kopfscheiben 7 a variant for the storage of the head discs

Die Vorrichtung – bezeichnet als Kugelrad – besteht aus drei Kugelsegmentschalen (1), (2) und (3), die drehbar auf einer Achse (4) angeordnet sind. Die drehbare Verbindung der mittigen Kugelsegmentschale (2) mit der Achse (4) erfolgt über die Tragscheibe (10). Die Achse (4) ist weiterhin mit kreisförmigen Tragscheiben (5) verbunden, die zwischen den Kugelsegmenten angeordnet sind und einen kleineren Durchmesser als die Kugelsegmente (1) und (3) aufweisen. Die Tragscheiben (5) ragen an zwei gegenüberliegenden Seiten über den Umfang der benachbarten Kugelsegmente hervor und sind über Kopfscheiben (6) miteinander und zentrisch mit zwei Drehzapfen (7) verbunden. Die Drehzapfen (7) liegen in einer Drehachse, die sich im Kugelmittelpunkt orthogonal mit der Drehachse (4) schneidet und so zu einer allseitigen Beweglichkeit des Kugelrades auf einer Fahrebene führt.The device - referred to as a ball wheel - consists of three spherical segment shells ( 1 ) 2 ) and ( 3 ), which are rotatable on one axis ( 4 ) are arranged. The rotatable connection of the central spherical segment shell ( 2 ) with the axis ( 4 ) takes place via the support disk ( 10 ). The axis ( 4 ) is still with circular support discs ( 5 ), which are arranged between the spherical segments and a smaller diameter than the spherical segments ( 1 ) and ( 3 ) exhibit. The carrying discs ( 5 ) protrude on two opposite sides over the circumference of the adjacent spherical segments and are above head discs ( 6 ) with each other and centric with two pivot pins ( 7 ) connected. The pivots ( 7 ) lie in a rotation axis which is orthogonal in the ball center with the axis of rotation ( 4 ) and thus leads to an all-round mobility of the ball wheel on a driving plane.

Durch eine einfache oder doppelte Krümmung der Tragscheiben (5) und Kopfscheiben (6) entsteht ein räumliches Tragwerk hoher Steifigkeit, das auch die Abtragung großer Traglasten mit schlanken Konstruktionsteilen erlaubt. Dadurch werden die Spurrillen zwischen den Kugelsegmenten minimiert. 7 verdeutlicht, dass durch kräftig dimensionierte Drehzapfen (7) die Auflagerkräfte des zu bewegenden Objektes (9) verformungsarm in die Kopfscheiben (6) eingeleitet werden.By a single or double curvature of the support disks ( 5 ) and head discs ( 6 ) creates a spatial structure of high rigidity, which also allows the removal of large loads with slim construction parts. This will be the Track grooves between the ball segments minimized. 7 makes it clear that through strongly dimensioned pivots ( 7 ) the bearing forces of the object to be moved ( 9 ) low deformation in the head discs ( 6 ) be initiated.

Als weiteren Vorteil bedingt diese Bauart bei ungerader Anzahl von Kugelsegmenten, dass das Kugelrad bei einer Bewegung parallell zu den Tragscheiben (5) vollflächig auf dem mittigen Kugelsegment und nicht in der Spurrille zwischen zwei Kugelsegmenten läuft.As a further advantage, this type requires an odd number of spherical segments, that the ball wheel in a movement parallel to the support discs ( 5 ) runs all over the central ball segment and not in the track groove between two spherical segments.

Optimale Laufeigenschaften eines derartigen zweiachsigen Kugelrades ergeben sich bei einer Bewegung orthogonal zu einer Drehachse. Alle anderen Bewegungskomponenten erfordern eine Überlagerung der Drehungen um beide Achsen und bedingen einen entsprechend größeren Reibungsverlust.Optimal running properties of such a two-axis ball wheel result in a movement orthogonal to a rotation axis. All other motion components require a superposition of the rotations about both axes and cause a correspondingly greater friction loss.

Folgerichtig wird dementsprechend eine Drehachse des zweiachsigen Kugelrades orthogonal zur Hauptbewegungsrichtung des Objektes angeordnet. Bei Dreipunktlagerung des Objektes erfordert seine Drehung dann den geringsten Aufwand, wenn sie konzentrisch um den Drehmittelpunkt ausgeführt wird (Panzerdrehung:Antriebsräder gegenläufig gedreht und eine Achse des Kugelrades orthogonal zu den Antriebsrädern).Consequently, an axis of rotation of the two-axis ball wheel is accordingly arranged orthogonal to the main direction of movement of the object. In the case of three-point support of the object, its rotation requires the least effort if it is carried out concentrically around the center of rotation (armor rotation: drive wheels rotated in opposite directions and one axis of the ball wheel orthogonal to the drive wheels).

Bauartbedingt verläuft die Rollbewegung orthogonal zur Schnittfläche der Kugelsegmente an deren Rändern unstetig. Dieser Nachteil kann durch einen elastischen Kugelbelag sowie durch Feder- und Dämpfungselemente zwischen dem Kugelrad und dem zu bewegenden Objekt minimiert werden.Due to the design, the rolling movement is orthogonal to the sectional surface of the spherical segments at the edges discontinuous. This disadvantage can be minimized by an elastic ball covering and by spring and damping elements between the ball wheel and the object to be moved.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

JP 2007210576 A [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Lars Hagemeier, Laboratory and clinical testing of the driving characteristics of different front wheel systems of hand-operated wheelchairs, Dissertation, Hannover, 2007. Page 9 ff and 65 f [0004]
Siciliano ea, Handbook of Robotics, Springer, 2008, page 392 et seq. [0004]

Claims

Ball wheel consisting of at least three spherical segments ( 1 ) 2 ) and ( 3 ), which in the polar axis orthogonal to the sectional surface of the spherical segments with the axis 4 are connected, the axis 4 rotatable with circular discs ( 5 ), which are arranged centrally in the sectional surfaces between the spherical segments, characterized in that the circular support discs ( 5 ) a smaller diameter than the respective adjacent spherical segments ( 1 ) 2 ) or ( 3 ) and protrude only on two opposite sides over the circumference of the adjacent spherical segments.

Ball wheel according to claim 1, characterized in that the support discs ( 5 ) at their outstanding ends each with a top disc ( 6 ) are connected.

Ball wheel according to claim 2, characterized in that the head disc ( 6 ) centrically a pivot ( 7 ), which lies in a rotation axis which is orthogonal in the ball center with the axis of rotation ( 4 ) cuts.

Ball wheel according to claim 3, characterized in that the pivot ( 7 ) in stock ( 8th ) running with the object to be moved ( 9 ) connected is.

Ball wheel according to claim 4, characterized in that the support disc ( 5 ) is curved one or two-dimensionally.

Ball wheel according to claim 4 or 5, characterized in that the head disc ( 6 ) is curved one or two-dimensionally.

Ball wheel according to claim 4, 5 or 6, characterized in that the ball segments ( 1 ) 2 ) and ( 3 ) are cup-shaped and an internal ball segment ( 2 ) via a concentric support disk ( 10 ) with the axis of rotation ( 4 ) connected is.

Ball wheel according to one of claims 4 to 7, characterized in that the running surfaces of the spherical segments of the nature of the track are adapted by a covering of elastic material and profiling.

Ball wheel according to one of claims 4 to 8, characterized in that the spherical segments ( 1 ) 2 ) and ( 3 ) by an internal with the support disc ( 5 ) fixedly connected electric motor via the axis of rotation ( 4 ) are set in rotation.

Ball wheel according to one of claims 4 to 9, characterized in that this via the pivot ( 7 ) is set in rotation by an external drive.