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Einleitung
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Die Erfindung betrifft das Gebiet von sich fortbewegenden Maschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Roboter mit einer verbesserten Schreitkinematik. Die Erfindung betrifft auch die Verbesserung der Synchronisation der Antriebe.
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Stand der Technik und Nachteile
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Aus dem Stand der Technik sind ferngesteuert oder sich autonom zu Lande fortbewegende Maschinen hinlänglich bekannt. Derartige Maschinen, nachfolgend Roboter genannt, weisen Mittel zur Fortbewegung auf, die typischerweise als Räder, Raupen oder Beine ausgebildet sind.
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Während rotierende Fortbewegungsmittel wie Räder oder Raupen einfach aufzubauen und anzutreiben sind, gilt dies für Roboter mit beinartigen Fortbewegungsmitteln nur bedingt. Dies ist insbesondere dann von Relevanz, wenn die Bewegung der Beine natürlichen Vorbildern wie beispielsweise sechsbeinigen Insekten oder achtbeinigen Spinnentieren nachempfunden werden soll. Derartige, zumeist als Spielzeug Verwendung findende Roboter sind z.B. in den Druckschriften
DE 2004 016 345 A1 ,
US 5,423,708 ,
US 2,827,735 ,
US 4,629,440 ,
US 4,662,465 ,
US 3,331,463 ,
6,488,560 B2 , und
US 5,127,484 offenbart.
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Natürliche Beinbewegungen lassen sich immer dann realisieren, wenn eine große Anzahl von Gelenken und Motoren und/oder eine komplexe Mechanik vorgesehen ist. Insbesondere für Spielzeuge, die ausreichende Robustheit bei geringen Kosten bieten sollen, kommt dieser Ansatz jedoch nicht in Betracht. Eine Schreitkinematik, welche auch mit einfachen Mitteln ein natürliches Bewegen der Beine erlauben soll, offenbart die Druckschrift
US 6,866,557 B2 . Die theoretische Bewegung der Beinspitze ist in der
1 dargestellt. Wie ersichtlich, ist der „Fuß“ lange am Boden, hebt am hinteren Endpunkt der Bewegung ab, bewegt sich schnell an den vorderen Startpunkt, und berührt dann wieder den Boden. Durch das Vorsehen mehrerer Beine, welche die beschriebene Bewegung zeitlich und räumlich versetzt zueinander ausführen, ist eine verhältnismäßig gleichmäßige Fortbewegung eines von diesen Beinen getragenen Körpers möglich, wobei die Beinbewegungen denen eines entsprechenden Insekts ähneln.
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Die besagte Druckschrift zeigt eine vergleichsweise einfache Kinematik (2), welche das Abheben eines Beines mittels einer Schubbewegung realisiert wodurch sich die Länge des Beines verändert. Dies führt zu einer wenig realistischen Beinbewegung.
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Die Druckschrift zeigt auch eine komplexe Kinematik (3), welche eine Vor- und Rückrotation des Beines im Laufe eines Bewegungszyklus ermöglicht. Nachteilig an dieser Kinematik ist jedoch, dass sie aus einer Vielzahl von Gelenken und Stangen besteht, und somit kompliziert zu montieren und empfindlich gegen mechanische Einwirkungen ist. Dies, und die aus der komplexen Mechanik erwachsenden Kosten schränken die möglichen Anwendungsgebiete stark ein.
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Ein weiteres Problem bei sich fortbewegenden Robotern tritt immer dann auf, wenn für die beiden Seiten des Roboters auch zwei Antriebe vorgesehen werden, wobei jeder Antrieb beispielsweise eine Beingruppe bewegt. Soll der Roboter von einer geradlinigen Bahn abweichen, so ist dies auf einfache Weise durch unterschiedlichen Antrieb der beiden Beingruppen möglich, wobei die Antriebe typischerweise „außer Tritt kommen“. Nachfolgend ist es sinnvoll, die Antriebe für eine dann wieder geradlinige Fortbewegung miteinander zu synchronisieren. Blieben die beiden Seiten weiterhin „außer Tritt“, so verliefe die Fortbewegung nicht mehr in der Art, dass die Bewegungen der Beingruppen beider Seiten aufeinander abgestimmt sind.
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Eine starre Kopplung der Antriebe beider Seiten würde zwar das Problem des Synchronisationsverlustes von vornherein eliminieren; allerdings wäre damit kein gezielter Richtungswechsel mehr möglich und es ist in der Praxis von großem Vorteil, wenn den Beingruppen beider Seiten eine vorübergehende mechanische Unabhängigkeit voneinander ermöglicht wird. So führt beispielsweise die Kollision einer Beingruppe mit einem Hindernis nicht zu einer unkontrollierten Abprall-Bewegung des Roboters, sondern zu einem „sanften“ Entfernen von demselben. Um eine Re-Synchronisation zu erreichen, sind elektronische Hilfsmittel bekannt, welche die Position der Antriebe bzw. Beingruppen erkennen und an eine Steuerung rückmelden. Dies ist jedoch aufwändig und entsprechend teuer umzusetzen.
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Aufgabe der Erfindung und Lösung
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Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten, selbsttätig fortbewegbaren Roboters mit Schreitkinematik.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, eine Schreitkinematik bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Demnach soll die Schreitkinematik einfach und robust aufbaubar sein und eine Beinbewegung ermöglichen, die den natürlichen Bewegungen von Insekten oder Spinnentieren möglichst nahe kommt, und die optional eine Vor- und Rückrotation des Beines im Laufe eines Bewegungszyklus erlaubt.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten Synchronisation für zwei voneinander getrennte Antriebseinheiten eines selbsttätig fortbewegbaren Roboters, welche vorzugsweise zwei voneinander getrennte Beingruppen antreiben.
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Beschreibung
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Nachfolgend wird zunächst die erfindungsgemäße Schreitkinematik beschrieben. Im Anschluss daran erfolgt eine Beschreibung der erfindungsgemäßen Synchronisationsvorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Schreitkinematik dient der Erzeugung einer in Zyklen ablaufenden Schreitbewegung eines Roboterbeines. Sie umfasst eine motorisch antreibbare Welle, welche einen proximalen Abschnitt mit einem proximalen Ende sowie einen distalen Abschnitt, der durch ein distales Ende abgeschlossen wird, aufweist. „Proximal“ meint in diesem Zusammenhang immer „zum Körper hin weisend“, „distal“ bedeutet „vom Körper weg weisend“. Die erfindungsgemäße Kinematik umfasst ferner ein Bein, welches einen proximalen Abschnitt, der durch ein proximales Ende abgeschlossen wird, und ein distales Ende aufweist. Dabei ist klar, dass das Bein zur Befestigung an einem wie auch immer gearteten „Körper“ vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist der proximale Abschnitt des Beines entlang einer Längsachse desselben mit dem distalen Abschnitt der Welle rotierbar verbunden. Dies bedeutet, dass sich distaler Abschnitt der Welle und proximaler Abschnitt des Beines um eine gemeinsame Rotationsachse drehen können, wobei typischerweise sicherzustellen ist, dass beide Komponenten dauerhaft in physischem Kontakt zueinander sind.
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Gleichzeitig zu dieser rotatorischen Verbindung ist eine entlang der Längsachse verlaufende, also „längsaxiale“ Beweglichkeit des proximalen Abschnitts des Beines relativ zum distalen Abschnitt der Welle durch ein geeignetes „Mittel zur Hemmung“ begrenzt. Dies ist beispielsweise durch dem Fachmann wohlbekannte Vorrichtungen zu erreichen, worauf später detailliert eingegangen wird.
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Schließlich ist ein „Anschlagselement“ vorgesehen, welches vorzugsweise auf den proximalen Abschnitt des Beines einwirkt, und welches die Rotation des Beines um seine Längsachse begrenzt. Ohne ein solches Anschlagselement könnte sich das Bein relativ zu seiner (seinem proximalen Abschnitt zugeordneten) Längsachse frei drehen, was die gewünschte zyklische Beinbewegung verhindern würde, wie später noch erläutert wird.
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Erfindungsgemäß weist nun die mit dem proximalen Abschnitt des Beines verbundene Welle am Übergang zwischen proximalem und distalem Abschnitt einen „Knick“ auf. Er teilt die Welle in einen proximalen und einen distalen Abschnitt. Dieser Knick führt dazu, dass durch Rotation der Welle an einem dem proximalen Ende des Beines entgegengesetzten Ende des proximalen Abschnitts des Beines eine kreisartige Bewegung erzeugbar ist. Die Bewegung ist dabei nicht auf die Form eines Kreises beschränkt. Mit anderen Worten, das distale Ende des proximalen Abschnitts des Beines wird durch den distalen, im Vergleich zum proximalen Abschnitt abgeknickten Abschnitt der Welle auf eine geschlossene und somit zyklische Kurvenbahn (mit zusammenfallendem Anfangs- und Endpunkt) gezwungen. Die Bahn des proximalen Abschnitts des Beines bildet typischerweise die Oberfläche eines Kegels, an dessen Spitze sich das proximale Ende des Beines bzw. dessen gedachte Verlängerung bis zum Knick befindet.
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Da die übrigen Abschnitte des Beines typischerweise fest mit dem proximalen Abschnitt verbunden sind, ist es klar, dass die anderen Abschnitte des Beines, insbesondere dessen distales Ende (der „Fuß“), ebenfalls auf einer geschlossenen Kurvenbahn bewegt werden. In Abhängigkeit später genauer zu beschreibender Parameter ist es möglich, diese Kurvenbahn (das „Profil“) so anzupassen, dass eine annähernd gleichmäßige Vorwärtsbewegung des Fußes, gepaart mit einem schnellen Abheben, Rückführen und Wiederabsetzen desselben erreicht wird. Dabei ist die in Richtung der Vorwärtsbewegung verlaufende „Schrittlänge“ vorzugsweise deutlich größer dimensioniert als der Hub des Beines. Dies entspricht einer natürlichen Bewegung, was insbesondere im Hinblick auf Modelle von Insekten oder Spinnentieren wünschenswert ist, aber auch im Hinblick auf eine ökonomische Bewegungsweise jeglicher schreitender Roboter einen Vorteil darstellt.
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Nach einer Ausführungsform ist die Verbindung zwischen dem proximalen Abschnitt des Beines und dem distalen Abschnitt der Welle mittels mindestens eines Wälz- oder Gleitlagers hergestellt. Vorzugsweise ist die Welle in das distale Ende des Beines einführbar, wobei ausreichender Platz für eines oder mehrere derartiger Lager vorzusehen ist, die sich dann zwischen Welle und Bein befinden, so dass eine reibungsarme relative Rotation der Komponenten zueinander ermöglicht ist. Als einfaches Beispiel für eine Wälzlagerung seien zwei voneinander beabstandete Radial-Kugellager genannt.
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Auch Lager, welche die Spitzen der Komponenten, also das distale Ende der Welle mit dem proximalen Ende des Beines, verbinden, können diese Aufgabe erfüllen, ohne einer Einführbarkeit von Welle in das Bein zu bedürfen.
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Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, nach welcher die Verbindung zwischen dem proximalen Abschnitt des Beines und dem distalen Abschnitt der Welle durch Einschieben des distalen Abschnitts der Welle in den hohl ausgeführten proximalen Abschnitt des Beines hergestellt ist. Dies entspricht einer einfachen Gleitlagerung, welche sich für viele Zwecke als ausreichend herausgestellt hat und besonders kostengünstig herstellbar ist. Je nach konkreter Ausführungsform dient die Welle demnach als Rotationslager für den proximalen Abschnitt des Beines. Sofern die Materialpaarungen entsprechend ausgewählt sind und/oder Schmiermittel in die Lagerung eingebracht werden, ist auch hier die Reibung sehr gering. Ein Beispiel für eine gute Materialpaarung ist Edelstahl (Welle) und Messing (Bein).
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Selbstverständlich sind auch Kombinationen aller vorstehend genannten Lagerarten möglich.
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Dem „Mittel zur Hemmung“ fällt, wie erwähnt, die wichtige Aufgabe zu, die axiale Relativbewegung von Welle und Bein zu begrenzen. „Begrenzen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass durchaus ein gewisses axiales Spiel erlaubt ist, welches jedoch nur so groß sein darf, dass Bein und Welle physischen Kontakt zueinander haben. Aus konstruktiven Gesichtspunkten ist ein deutlich kleineres Spiel, bis hin zu einer vollständigen Verhinderung desselben, jedoch zu bevorzugen.
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Vorzugsweise ist das Mittel zur Hemmung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (i) einem flexiblen Schlauchelement, welches das proximale Ende des Beines und mindestens einen distalen Teil einer an einem Körper fixierten Lagerbuchse, welche der Welle als Lager dient, umschließt; (ii) aus mindestens einem Wälz- bzw. Gleitlager gemäß Anspruch 2; (iii) und aus einem Bügel, welcher sich zwischen dem proximalen Abschnitt des Beines und einem den proximalen Abschnitt der Welle lagernden Körper erstreckt.
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Ein flexibles Schlauchelement hat den Vorteil, besonders einfach und kostengünstig herstell- und montierbar zu sein. Er stellt zuverlässig ein geringes, begrenztes axiales Spiel bereit, sofern er entsprechend fest auf o.g. Lagerbuchse der Welle und Bein befestigt ist und aus einem zumindest etwas längsdehnbaren Material besteht. Gleichzeitig behindert er die Rotation der Welle relativ zum Bein nicht, wenn an seiner Innenseite ausreichendes Spiel zur Wellenoberfläche herrscht.
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Eine Wälz- oder Gleitlagerung kann o.g. Aufgabe ebenfalls erfüllen, wenn mindestens ein axial festlegendes Lager wie insbesondere ein Radial-Kugellager, dessen Außenring fest mit dem Bein, und dessen Innenring fest mit der Welle verbunden ist, verwendet wird. Es ist klar, dass die Welle selber entsprechend in einem Körper gelagert sein sollte, beispielsweise mittels einer Lagerbuchse.
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Ein Bügel stellt eine weitere effektive Möglichkeit der Hemmung axialer Beweglichkeit dar, sofern dieser entsprechend, beispielsweise mit einem Ende am Bein und mit dem anderen Ende an besagter Lagerbuchse, befestigt ist. Beispiele hierfür werden später gegeben. Bevorzugt ist jedoch, dass der Bügel eine Rotation von Bein relativ zum Körper (und somit beispielsweise zur Lagerbuchse) nicht vollständig unterbindet, was im Zusammenhang mit dem nachfolgenden Merkmal von Vorteil ist.
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Demnach ist es besonders bevorzugt, dass das Anschlagselement die Rotation des Beines um seine Längsachse auf einen Schwenkwinkel von mehr als 0 Grad und zugleich weniger als 180 Grad und bevorzugt weniger als 90 Grad und besonders bevorzugt weniger als 30 Grad begrenzt, so dass eine der kreisartigen Bewegung überlagerte alternierende Rotationsbewegung des Beines um seine Längsachse ermöglicht ist.
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Es sind demnach Fälle zu unterscheiden, in welchen die Relativrotation von Bein zu seiner Längsachse (und somit zu Körper) auf Null begrenzt ist, und in welchen eine gewisse Rotation ermöglicht wird.
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Ist keine Rotation des Beines um seine Längsachse möglich, erlaubt dies lediglich eine weniger natürlich wirkende Beinbewegung. Die Ebene, in der das Bein liegt bleibt während eines gesamten Bewegungszyklus in einem festen Winkel zum Untergrund. Das Bein selber ist in diesem Fall vorzugsweise mittels eines Axialgelenks (Gelenk mit nur einem, nämlich rotatorischen Freiheitsgrad) unterbrochen, und der proximale Abschnitt liegt in dem letzten Teilstück jenseits dieses Lagers. Mittels einer parallelogrammartigen Struktur, deren einer Schenkel vom proximalen Abschnitt des Beines, und dessen anderer Schenkel vom vorstehend genannten Bügel gebildet ist, erhält das Bein die entsprechende Bewegbarkeit, ohne selber rotierbar zu sein. Zur Erläuterung wird auf die 4 verwiesen.
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Nach einer anderen und bevorzugten Ausführungsform ist das Bein jedoch um einen gewissen Schwenkwinkel um seine Längsachse rotierbar ausgestaltet. Auf diese Weise ist eine natürlicher erscheinende Bewegung des Beines möglich, da dieses nun nicht mehr dauerhaft in einem festen Schwenkwinkel zum Untergrund stehen muss, sondern seinen Schwenkwinkel im Laufe eines Bewegungszyklus variiert. Zur Erläuterung wird auf die 5 bis 8 verwiesen.
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Für den Fall einer gewissen rotatorischen Beweglichkeit des Beines um seine Längsachse ist bevorzugt, dass das (dann vorzugsweise gleichzeitig als Mittel zur Hemmung der axialen Beweglichkeit dienende) Anschlagselement durch einen wie vorstehend genannten Bügel gebildet ist, der entweder (i) am Bein fixiert und mit dem entgegengesetzten Ende in ein am Körper angeordnetes Gleitlager eingreifend, oder (ii) am Körper fixiert und mit dem entgegengesetzten Ende in ein am Bein fixiertes Gleitlager eingreifend ausgestaltet ist, wobei jeweils die am Körper angeordnete Lagerung des Bügels, senkrecht zur Wellenachse gemessen, um einen Versatz, nachstehend mit „Y“ bezeichnet, von der Wellenachse beabstandet ist.
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Mit anderen Worten, ein derartiger Bügel ist an Bein oder am Körper fixiert und mit der jeweils anderen Komponente über ein Gleitlager verbunden, welches zumindest eine begrenzte Rotation des Beines um seine Längsachse erlaubt. Selbstverständlich sind dem Bein auch Kipp- und/oder Nickbewegungen, vorzugsweise jedoch nur in begrenztem Umfang, möglich, damit ein Abheben, Vorwärts- oder Rückwärtsbewegen und Absetzen des Fußes möglich ist. Beispiele für derartige Konstruktionen sind in den 5 bis 8 gegeben.
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Vorzugsweise weist die Welle einen Neigungswinkel zur Horizontalen von 45 ± 45 Grad auf, so dass der „Oberschenkel“ eines Beines weder parallel zum Boden, noch senkrecht nach oben oder unten weist. Ein Neigungswinkel von 45 bis 70 Grad ist für Spinnentiere typisch. Es sind aber auch Neigungswinkel von 90 Grad (senkrechter proximaler Abschnitt des Beines) denkbar, was ggf. zu einer Vereinfachung des Antriebs der Welle führen würde. Auch Neigungswinkel größer als 90 Grad sind möglich.
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Ferner ist bevorzugt, dass der Knickwinkel 1 bis 10 Grad beträgt. Besonders bevorzugt beträgt der Knickwinkel ca. 2,5 Grad. Dieser Wert hat sich in der Praxis als besonders geeignet zur Erzeugung einer natürlichen Bewegung herausgestellt. Vereinfacht bestimmt der Knickwinkel die Anhebung des Beines. Kleine Knickwinkel bewirken demnach nur kleine und langsame Beinbewegungen, große Knickwinkel ausladende und (bei gleicher Umdrehungszahl der Welle) schnellere Beinbewegungen. Zu große Knickwinkel würden dazu führen, dass der „Körper“ während der Schreitbewegung übermäßig gehoben und gesenkt wird, was in einer ineffizienten Fortbewegung resultiert.
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In Zusammenhang mit dem Vorhandensein eines oben genannten Körpers, der daran angeordneten Lagerung sowie des Bügels kann ein „Axialabstand“, nachstehend mit „X“ bezeichnet, definiert werden, und zwar durch den entlang der Wellenachse gemessenen Abstand vom Knick bis zu einer Ebene, die durch die am Körper angeordnete Lagerung des Bügels verläuft und normal zur Wellenachse steht.
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Konkret bestimmt das Verhältnis von X zu Y das Verhältnis von Rotationsbewegung des Beines um seine Längsachse zur kreisartigen Bewegung des proximalen Abschnitts des Beines. Ein großes Verhältnis erzielt stärkere Bewegungen mit größerer Rotation um die Längsachse, und umgekehrt. In weiterer Folge erzielt ein großes Verhältnis eine große Vorwärtsbewegung im Vergleich zur Hubbewegung des Beines.
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Dabei beträgt das Verhältnis des Axialabstands X zum ggf. vorhandenen Versatz Y bevorzugt 1 bis 10 und besonders bevorzugt 5 ± 2. Ein bevorzugter Wert für den Axialabstand X beträgt beispielsweise 25 ± 10 mm. Mit einem wie beschrieben ausgewählten Verhältnis von X zu Y kann eine besonders natürliche Bewegung erreicht werden.
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Bevorzugt ist außerdem, dass Welle und Bein hohl ausgestaltet sind. Dies ermöglicht ein Durchführen von Signal- und/oder Versorgungsleitungen vom Körper zum Fuß bzw. umgekehrt. Zudem ist das Gewicht eines Hohlkörpers geringer, wobei die Stabilität vergleichbar bleibt.
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Besonders bevorzugt ist am distalen Ende des Beines ein oder mehrere Sensor(en) und/oder Aktuator(en) angeordnet. Ein Sensor kann beispielsweise ein Näherungssensor sein, welcher dem Roboter ein Hindernis meldet, dem er dann – eine entsprechende Steuerung vorausgesetzt – ausweichen kann. Auch ein Aktuator kann dort angeordnet sein, um beispielsweise Vibrationen zu erzeugen, Flüssigkeit auszugeben oder anderes.
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Die Erfindung betrifft auch die Verbesserung der Synchronisation der zu einem Antriebssystem gehörenden mindestens zwei Antriebseinheiten, welche die Bein- oder Rädergruppen eines selbsttätig fortbewegbaren Roboters zwecks dessen Fortbewegung antreiben.
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Bei einer erfindungsgemäßen Synchronisationsvorrichtung für ein mindestens zwei Antriebseinheiten umfassendes Antriebssystem eines Roboters, bei dem je eine Antriebseinheit für je eine Bein- oder Rädergruppe vorgesehen und mit den Mitgliedern dieser Gruppe zwecks deren Antriebs verbunden ist, sind die Antriebseinheiten oder die Gruppen durch mindestens eine Kraftkopplung miteinander verbunden. Die Kraftkopplung ist „elastisch“, so dass die Antriebseinheiten einen variablen Phasenversatz zueinander aufweisen können. Außerdem ist in der Kraftkopplung potenzielle Energie speicherbar, deren Höhe vom Phasenversatz der Antriebseinheiten abhängt. Das bedeutet, dass den unterschiedlichen Phasenversätzen der Antriebseinheiten unterschiedlich hohe potenzielle Energien zugeordnet werden können, welche in der Kraftkopplung gespeichert werden. Dabei tendieren die Antriebseinheiten dazu, einen festen Phasenversatz einzunehmen, der einem Minimum der potenziellen Energie entspricht.
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Mit einer derartigen Synchronisationsvorrichtung kann auf einfache Weise die Antriebsgeschwindigkeit, also beispielsweise die Drehgeschwindigkeit mindestens (und bevorzugt) zweier identischer Antriebsmotoren, angeglichen werden. Somit wird ein Fahrzeug, dessen rechte und linke Seite von je einem dieser Motoren angetrieben ist, auf eine gerade Bahn gebracht, da beide Seiten den gleichen Vortrieb bereitstellen.
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Außerdem kann mit einer solchen Synchronisationsvorrichtung auch der Phasenversatz zweier oder mehr Antriebsmotoren auf einen ganz bestimmten, gewünschten Wert gebracht werden, nämlich auf denjenigen Phasenversatz, welcher der geringsten potenziellen Energie der Kraftkopplung zugeordnet ist.
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Vorzugsweise ist dies gerade der Phasenversatz, bei dem die den Antriebseinheiten zugeordneten Gruppen sich so zueinander bewegen, dass eine gleichmäßige (ruhige) Fortbewegung ergibt. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn es sich bei den Gruppen um Beingruppen handelt, da hier beispielsweise gerade bei einem Phasenversatz von 180 Grad eine ruhige Fortbewegung eines Schreitroboters erreicht wird. (Bei Rädergruppen tritt dieses Problem naturgemäß nicht auf.)
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Nach einer Ausführungsform erfolgt die elastisch wirkende Kraftkopplung durch eine mechanisch elastische Verbindung (z.B. Gummiband oder Feder). Mittels dieses „Verbindungsmittels“ werden die beiden Antriebseinheiten, insbesondere deren Antriebssachsen, der typischerweise zwei (linken und rechten) Bein- oder Rädergruppen, oder die Gruppen selber miteinander verbunden. Auch die Elastizität der Gruppen kann bereits einen ausreichenden elastischen Anteil bereitstellen, so dass das Verbindungsmittel selber eher undehnbar sein kann (z.B. Schnur, Stange).
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die elastisch wirkende Kraftkopplung mittels Magnetkraft, z.B. mittels diametraler Magnetringe oder -scheiben, also flachen und (vorzugsweise) rotationssymmetrischen Magneten, deren Pole an entgegengesetzten Punkten ihres Umfangs angeordnet sind. Alternativ sind auch entsprechend ausgerichtete Stabmagnete verwendbar. Dabei können die beiden mit Rundmagneten bestückten und zu synchronisierenden Achsen der Antriebseinheiten axial, parallel oder in einem anderen Winkel zueinander ausgerichtet sein, vorausgesetzt, die Achsen haben einen gemeinsamen Schnittpunkt und der Abstand der Magnete ist ausreichend gering um eine effektive Kraftkopplung zu ermöglichen.
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Für den Fall eines Roboters mit Schreitkinematiken, bei dem je Antriebseinheit mehrere Schreitkinematiken und somit Beine von derselben angetrieben werden, lassen sich auf diese Weise die jeweils an gleicher Längsposition entlang des Körpers gegenüber liegenden Beine im Falle einer gleich schnellen Antriebsgeschwindigkeit miteinander synchronisieren, wobei sie besonders bevorzugt eine entgegengesetzte Bewegung ausführen. Ihr Phasenversatz wird auf einen festen Wert zurückgeführt (synchronisiert), der durch die Positionierung der Magnete zueinander vorbestimmt ist. Dieser Wert beträgt bevorzugt 180 Grad.
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Da die Kraftkopplung nicht starr ist, treten auch die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme nicht auf. Aufgrund der vorstehend genannten Konstruktion sind die beiden Antriebseinheiten in gewissen Grenzen mechanisch voneinander entkoppelt. Da die Antriebseinheiten jedoch bestrebt sind, eine bevorzugte („energieärmste“) Lage zueinander einzunehmen, werden sie nach und nach zueinander synchronisiert. Die schrittweise Synchronisation ist typischerweise nach wenigen Umdrehungen der Antriebe abgeschlossen.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch einen selbsttätig fortbewegbaren und vorzugsweise autonom agierenden Roboter, welcher eine Mehrzahl der vorstehend beschriebenen Schreitkinematiken, und/oder eine Synchronisationsvorrichtung gemäß obiger Definition umfasst. Besonders bevorzugt umfasst der Roboter alle diese Komponenten. Die Schreitkinematiken können dabei aus Metall wie insbesondere Messing oder aus Kunststoff gefertigt sein. Der Körper kann vorzugsweise als entsprechend geformte Leiterplatte ausgestaltet sein und eine Steuerung tragen. Die Synchronisierung der Antriebe erfolgt vorzugsweise mittels eines Gummibandes, mittels einer Feder, mittels eines elastischen Bügels oder magnetisch.
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Besonders bevorzugt ist der Roboter als Bausatz ausgestaltet. Demnach sind die einzelnen Komponenten mit einfachen Hilfsmitteln zusammensetzbar. Demensprechend werden zur Befestigung vorzugsweise Löt-, Clip- oder einfache Schraubverbindungen verwendet.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Schreitkinematik bereit, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Sie ist einfach und robust aufbaubar und ermöglicht eine Beinbewegung, die den natürlichen Bewegungen von Insekten oder Spinnentieren nahe kommt, und die optional eine Vor- und Rückrotation des Beines im Laufe eines Bewegungszyklus erlaubt.
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Die Erfindung stellt auch eine verbesserte Synchronisation für zwei voneinander getrennte Antriebseinheiten eines selbsttätig fortbewegbaren Roboters bereit, welche vorzugsweise zwei voneinander getrennte Beingruppen antreiben, die besonders bevorzugt von den vorstehend beschriebenen Schreitkinematiken angetrieben werden.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine Beinkurve aus dem Stand der Technik.
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2 zeigt eine einfache Kinematik aus dem Stand der Technik.
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3 zeigt eine komplexe Kinematik aus dem Stand der Technik.
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4 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schreitkinematik.
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schreitkinematik.
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6 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schreitkinematik.
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7 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schreitkinematik in einer Vorderansicht.
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8 zeigt ein Detail der vierten Ausführungsform nach 7.
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9 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schreitkinematik in einer Seitenansicht.
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10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines als Spinne ausgeführten Roboters mit der erfindungsgemäßen Schreitkinematik.
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11 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Synchronisationsvorrichtung für den Antrieb eines selbsttätig fortbewegbaren Roboters.
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12 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Synchronisationsvorrichtung.
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In der 1 ist eine Beinkurve aus dem Stand der Technik dargestellt. Der Abstand der Punkte symbolisiert die Geschwindigkeit der Bewegung. Demnach bewegt sich der Fuß langsam auf dem Boden, wohingegen er sich schnell durch die Luft zurück bewegt. Daraus resultiert eine besonders gute Standfestigkeit, da der Fuß die meiste Zeit Kontakt zum Boden hat.
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In der 2 ist eine einfache, aus dem Stand der Technik bekannte Schreitkinematik für einen Roboter dargestellt. Das Abheben eines Beines wird mittels einer Schubbewegung realisiert, wodurch sich die Länge des Beines verändert. Dies führt zu einer wenig realistischen Beinbewegung.
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Eine verbesserte Beinbewegung ist mit einer in 3 gezeigten Kinematik des Standes der Technik erreichbar. Sie besteht aus einer Vielzahl von Gelenken und Stangen, und ist somit kompliziert zu montieren und empfindlich gegen mechanische Einwirkungen.
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4 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schreitkinematik 100. Das Bein 110 weist einen proximalen und hohl ausgeführten Abschnitt 111 auf, der ein proximales Ende 112 hat. In diesen Abschnitt 111 ist der distale Abschnitt 123 der Welle 120 zumindest teilweise eingeführt. Die Welle 120 ist mit ihrem proximalen Abschnitt 121 zumindest teilweise in einer Lagerbuchse 132 gelagert, welche ihrerseits in einem Körper 134 fixiert ist. Am proximalen Ende 122 der Welle 120 ist ein Zahnrad (ohne Bezugszeichen) zur Kraftübertragung eines Antriebs (nicht dargestellt) angebracht. Somit kann die Welle 120 in Rotation gebracht werden.
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Die Welle 120 weist am Übergang zwischen proximalem Abschnitt 121 und distalem Abschnitt 123 einen Knick 125 auf. Dieser führt zu der weiter oben beschriebenen kreisartigen Bewegung des dem proximalen Ende 112 des Beines 110 entgegengesetzten Ende 115 des proximalen Abschnitts 111 des Beines 110. Auf diese Weise wird sich das distale Ende 114 des Beines 110 ebenfalls entlang einer geschlossenen Kurvenbahn, die vorliegend ellipsenartig ist, bewegen.
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Die Welle 120 weist ferner einen Neigungswinkel W zur Horizontalen von 45 Grad auf, und der (nicht eingezeichnete) Winkel des Knicks 125 (Knickwinkel) beträgt im Hinblick auf die in der 4 gezeigte Ausführungsform typischerweise ca. 10 Grad, gemessen zwischen Wellenachse A und Längsachse L des Beines 110. Aufgrund der parallelogrammartigen Konstruktion ist der Hub des Beines 110 wesentlich geringer als dessen Vorwärtsbewegung, was in der ellipsenartigen Bewegung des Beinendes 114 resultiert.
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Die gezeigte Ausführungsform weist als Mittel zur Hemmung 130 ein flexibles Schlauchelement 131 auf, welches das proximale Ende 112 des Beines 110 und einen distalen Teil der an dem Körper 134 fixierten Lagerbuchse 132, welche der Welle 120 als Lager dient, umschließt. Somit kann sich das Bein 110 nicht in axialer Richtung von der Welle 120 abziehen lassen.
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Als Anschlagselement 140 ist ein Bügel 133 vorgesehen, welcher die Rotation des Beines 110 um seine Längsachse L begrenzt. In der gezeigten Ausführungsform ist die Rotation um die Längsachse vollständig behindert, der Schwenkwinkel beträgt demnach 0 Grad.
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Um ein Vor- und Zurückbewegen des Beines zu erlauben, ist am körpernahen Ende des Bügels 133 neben dem für die parallelogrammartige Bewegung benötigten Gelenk (ohne Bezugszeichen) ein Drehgelenk 143 angeordnet. Dieses ist vorzugsweise mit seiner Drehachse (strichpunktierte Linie, ohne Bezugszeichen), die vorzugsweise senkrecht verläuft, in einer Linie mit dem Knick 125 angeordnet.
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Nachfolgend sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schreitkinematik dargestellt, welche zusätzlich eine Rotation des Beines um seine Längsachse erlauben (Schwenkwinkel größer als 0 Grad), was zu einem natürlicheren Bewegungsablauf des Beines führt. Nach diesen Ausführungsformen ist der Knickwinkel typischerweise kleiner als nach der zuvor beschriebenen Ausführungsform und beträgt bevorzugt ca. 2,5 Grad.
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Wenn nicht explizit benötigt, so sind bereits eingeführte Bezugszeichen in den folgenden Figuren aus Gründen der Übersicht weggelassen.
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In der 5 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schreitkinematik gezeigt.
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Nach dieser Ausführungsform ist das Mittel zur Hemmung 130 wieder durch ein flexibles Schlauchelement 131 gebildet. Als Anschlagselement 140 dient ein Bügel 133, der mit einem Ende (oben im Bild) am Bein 110 fixiert ist und mit dem entgegengesetzten Ende in ein am Körper 134 angeordnetes Gleitlager 141 eingreift. In der gezeigten Ausführungsform wird dieses Gleitlager 141 durch einen Spalt gebildet, in dem ein Zapfen 142 läuft, welcher am Körper 134 fixiert ist. Somit kann der Bügel 133 im Bereich der Lagerung eine rotatorische wie auch translatorische Bewegungen vollführen, wobei er durch die Geometrie des Spaltes in diesen Bewegungen begrenzt ist.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schreitkinematik 100 ist in 6 dargestellt. Nach dieser Ausführungsform ist als Anschlagselement 140 wiederum ein Bügel 133 vorgesehen, der mit einem Ende (unten im Bild) am Körper 134 fixiert ist, und mit dem entgegengesetzten Ende in ein am Bein 110 fixiertes Gleitlager 141 eingreifend ausgestaltet ist.
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Auch nach dieser Ausführungsform wird dieses Gleitlager 141 durch einen Spalt gebildet, in dem ein Zapfen 142 läuft, welcher am Bügel 133 und somit am Körper 134 fixiert ist.
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Die 7 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schreitkinematik 100 in einer Vorderansicht, also in einer Ansicht von der Vorderseite eines Roboters, von welchem lediglich ein Teil des Körpers 134 sowie eine einzelne Schreitkinematik 100 dargestellt sind.
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Die Welle 120 ist in einer Lagerbuchse 132 gelagert und mit einem Klemmring (ohne Bezugszeichen) gesichert.
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Nach dieser Ausführungsform ist das Mittel zur Hemmung 130 aus einem flexiblen Bügel 133 gebildet, welcher sich zwischen dem proximalen Abschnitt 111 des Beines 110 und dem den proximalen Abschnitt 121 der Welle 120 lagernden Körper 134 erstreckt. Aufgrund der flachen Form des Bügels 133 biegt sich dieser ausschließlich in vertikaler Richtung entsprechend dem Knickwinkel der Welle 120. Wie ersichtlich hemmt demnach dieser Bügel die axiale Beweglichkeit zwischen Bein 110 und Welle 120.
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Der Bügel 133 dient auch als Anschlagselement 140. Mit dem einen Ende (oben im Bild) ist er, wie erwähnt, am Bein 110 fixiert, und greift mit dem entgegengesetzten Ende in ein am Körper 134 angeordnetes Gleitlager 141 ein. In der gezeigten Ausführungsform wird dieses Gleitlager 141 durch einen Zapfen 142 gebildet, welcher am Körper 134 fixiert ist. Der Bügel 133 weist an seinem dem Körper 134 zugewandten Ende (unten im Bild) eine Bohrung (ohne Bezugszeichen) auf, welche mit dem Zapfen 141 zusammenwirkt. Somit kann der Bügel 133 eine rotatorische wie auch translatorische Bewegungen vollführen, wobei er durch die Geometrie des Zapfens 141 sowie der Bohrung in diesen Bewegungen begrenzt ist. Dementsprechend kann das Bein 110 eine (zyklische) Schwenkbewegung um seine Längsachse L vollführen.
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Wie aus der 7 weiterhin hervorgeht, ist die am Körper 134 angeordnete Lagerung 141 des Bügels 133, senkrecht zur Wellenachse A gemessen, um einen Versatz Y von der Wellenachse A beabstandet.
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Ferner ist ein Axialabstand X durch den entlang der Wellenachse A gemessenen Abstand vom Knick 125 bis zu einer (nicht eingezeichneten) Ebene definiert, die durch die am Körper 134 angeordnete Lagerung 141 des Bügels 133 verläuft und normal zur Wellenachse A steht.
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Das Verhältnis von X zu Y bestimmt das Verhältnis von Schwenkbewegung des Beines 110 um seine Längsachse L zu kreisartiger Bewegung des proximalen Abschnitts des Beines; auf die Erläuterungen weiter oben wird verwiesen. Der Versatz Y und der Axialabstand X sind auch in den übrigen Ausführungsformen vorhanden, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Die eine Detailansicht der 7 darstellende 8 zeigt die Parameter a und b. Diese geben die untere und obere Grenze des Normalabstandes von der Lagerung des Bügels am Körper zur bewegenden Längsachse des Beines an. Der Versatz Y ergibt sich aus dem Mittelwert der Parameter a und b. Das Verhältnis der Geschwindigkeit am höchsten und am tiefsten Punkt des Beines wird durch das Verhältnis von b zu a bestimmt. Diese Geschwindigkeitsdifferenz wirkt sich positiv auf eine möglichst gleichmäßige Vorwärtsbewegung des Beines bzw. des Fußes während dem Kontakt mit dem Boden, sowie auf eine erhöhte Kraftübertagung in dieser Phase der Bewegung aus. Des Weiteren folgt daraus eine Vorwärtsbewegung des Beines über mehr als 50% der Zyklusdauer (Dauer einer vollen Umdrehung der Welle 120).
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Die Bewegung des distalen Endes des Beines 110, auch „Profil“ P genannt, ist in der 7 ebenfalls eingezeichnet. An dessen Form ist zu erkennen, dass sich das Bein nahezu senkrecht auf den Untergrund zubewegt bzw. von ihm abhebt, und nur während der „Schwungphase“ (Bewegungsphase, während der das Bein keinen Kontakt zum Untergrund aufweist) auch eine horizontale Bewegung weg vom Körper ausführt. Noch besser ist diese Bewegung in 9 erkennbar, welche die Ausführungsform der 7 in einer Seitenansicht zeigt. Würde sich der Körper 134 des Roboters nach links bewegen, so würde der Bodenkontakt vom nachfolgenden Bein (nicht gezeigt) hergestellt werden, noch bevor das Bein 110 den hinteren Umkehrpunkt erreicht, wo es den Bodenkontakt verliert, vorausgesetzt die betreffenden Beine bewegen sich mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 Grad zueinander.
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Das gezeigte Profil P ist auch vorteilhaft gegenüber dem aus dem in 1 gezeigten Profil aus dem Stand der Technik. Letzteres ist aus einem Winkel dargestellt, welcher steil zum Untergrund verläuft. Eine Transformation in eine echte Seitenansicht, wie sie die 7 und 8 zeigen, würde ein sehr flaches Profil ergeben. Dieses ist nur bei glatten und ebenen Untergründen vorteilhaft, welche jedoch auch durch Räder befahrbar wären. In den Fällen, in denen Beine aufgrund ihrer größeren Geländegängigkeit Rädern überlegen sind, ist ein größerer Hub unabdingbar, wie er durch die erfindungsgemäße Schreitkinematik bereitgestellt wird. Auch kann so der Aufsetzpunkt des Beines bei Unebenheiten des Untergrundes variieren.
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In der 10 ist eine perspektivische Ansicht eines als Spinne ausgeführten Roboters mit der erfindungsgemäßen Schreitkinematik (ohne Bezugszeichen) gezeigt. Wie ersichtlich weist der Roboter je Seite vier erfindungsgemäße Schreitkinematiken auf. Zudem ist auf seinem Körper eine Steuerplatine 150 angeordnet. Diese ist unter anderem mit Sensoren 151 verbunden, so dass der Roboter auf seine Umgebung reagieren kann. Dargestellt ist außerdem das Profil P eines Beines 110.
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Die 11 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Synchronisationsvorrichtung für den Antrieb eines selbsttätig fortbewegbaren und bevorzugt autonom agierenden Roboters. Die beiden rotierbaren Antriebsachsen 161, 162 sind kollinear zu einander angeordnet und tragen an ihren jeweiligen zueinander weisenden Enden eine Scheibe 163, 164, die jeweils eine diametrale Magnetscheibe ist. Die Pole der Scheiben 163, 164 sind mit N bzw. S bezeichnet. In der Figur befinden sich die jeweils beiden Pole N, S der beiden Scheiben 161, 162 nicht in ihrer bevorzugten Lage zueinander. Aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte sind die beiden Scheiben 163, 164, und somit die Antriebsachsen 161, 162 bestrebt, eine Lage zueinander anzunehmen, in denen die entgegengesetzten Pole N/S bzw. S/N der Scheiben 163, 164 den geringstmöglichen Abstand zueinander haben (nicht gezeigt), bzw. die von N nach S verlaufenden Magnetisierungsachsen (nicht eingezeichnet) parallel zueinander verlaufen. Somit sind die Antriebe mechanisch voneinander entkoppelt und trotzdem mittels einer elastisch wirkenden Kraftkopplung synchronisiert.
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Die 12 zeigt eine analoge Situation, wobei anstelle der magnetischen Kräfte eine Feder 165 die elastisch wirkende Kraftkopplung bereitstellt. Die Feder 165 ist an Scheiben 161, 162 befestigt, die nicht magnetisch sind. Zwar können die Antriebsachsen 161, 162 prinzipiell jeden Phasenversatz zueinander aufweisen, sie werden jedoch bestrebt sein, diejenige Lage zueinander einzunehmen, in der die Feder am wenigsten gespannt ist. Diese Lage führt zu der gewünschten Positionierung der Beingruppen zueinander und entspricht einem Phasenversatz der Beingruppen von 180 Grad. Nach Kurvenläufen des Roboters, während denen der Phasenversatz variiert, weil die Beingruppen unterschiedlich schnell angetrieben werden, führt die gezeigte Synchronisationsvorrichtung zu einem automatischen Angleich der Geschwindigkeiten und der Bewegungen der beiden Beingruppen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kinematik, Schreitkinematik
- 110
- Roboterbein, Bein
- 111
- proximaler Abschnitt des Beines
- 112
- proximales Ende des proximalen Abschnitts des Beines
- 114
- distales Ende des Beines, Beinende
- 115
- dem proximalen Ende entgegengesetztes Ende des proximalen Abschnitts des Beines
- 120
- Welle
- 121
- proximaler Abschnitt der Welle
- 122
- proximales Ende des proximalen Abschnitts der Welle
- 123
- distaler Abschnitt der Welle
- 125
- Knick
- 130
- Mittel zur Hemmung
- 131
- flexibles Schlauchelement
- 132
- Lagerbuchse
- 133
- Bügel
- 134
- Körper
- 140
- Anschlagselement
- 141
- Gleitlager, Lagerung
- 142
- Zapfen
- 143
- Drehgelenk
- 150
- Steuerplatine
- 151
- Sensor
- 161, 162
- Antriebsachse
- 163, 164
- Scheibe
- L
- Längsachse des Beines
- A
- Wellenachse
- W
- Neigungswinkel der Welle
- X
- Axialabstand
- Y
- Versatz
- P
- Profil
- a
- Parameter
- b
- Parameter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2004016345 A1 [0003]
- US 5423708 [0003]
- US 2827735 [0003]
- US 4629440 [0003]
- US 4662465 [0003]
- US 3331463 [0003]
- US 6488560 B2 [0003]
- US 5127484 [0003]
- US 6866557 B2 [0004]
