DE102019008680A1

DE102019008680A1 - Mobile Plattform und Verfahren zur Bewegungssteuerung

Info

Publication number: DE102019008680A1
Application number: DE102019008680.5A
Authority: DE
Inventors: Tim Rokahr; Andreas Spenninger; Daniel Wahrmann Lockhart
Original assignee: Franka Emika GmbH
Current assignee: Franka Emika GmbH
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mobile Plattform, die in Bezug auf deren antreibenden Räder (2,3,4,6) nachgiebigkeitsgeregelt ist. Des Weiteren betriff die Erfindung ein entsprechendes Steuerungsverfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mobile Plattform, die insbesondere für das Tragen einer mechatronischen Vorrichtung, wie eines Knickarmroboters, gedacht ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung einer solchen mobilen Plattform.
Mobile Plattformen, auch solche, die zum Bewegen eines Roboters, wie beispielsweise eines Knick- bzw. Gelenkarmroboters dienen, sind bisher nur für eine Fortbewegung auf einer gleichförmig planen, horizontalen Ebene und hindernisfreien Umgebung vorgesehen und entsprechend konstruiert worden. Daher müssen Gebäude, in denen sich derartige mobile Plattformen bewegen sollen, um beispielsweise Gegenstände zu transportieren oder um einen Roboter zwischen unterschiedlichen Arbeitsstationen hin- und herzubewegen, im Vorfeld darauf ausgerichtet werden. Autonom fahrende mobile Plattformen bewegen sich daher in der Regel in markierten Bereichen, die frei von jeglichen Hindernissen sind. Mit anderen Worten, Kollisionen mit Hindernissen und Menschen sind nicht nur unerwünscht, sondern müssen tatsächlich aktiv vermieden werden. Darüber hinaus dürfen die Fahrwege keine Unebenheiten, Steigungen, Gefälle, Stufen oder dergleichen oder sonstige Hindernisse aufweisen.
Herkömmliche mobile Plattformen aus dem Stand der Technik sind positionsgesteuert und weisen mehrere Räder auf, die sich ebenfalls in einer Ebene angeordnet finden, wovon zumindest zwei dieser Räder aktiv angetrieben werden und eine Positionssteuerung aufweisen, so dass über die Position dieser Räder letztendlich die Position der mobilen Plattform in der Umgebung bestimmt werden kann. Da sich die so positionsgesteuerten Räder nur auf einer planen Fläche bewegen können, ist es nicht möglich, dass die Räder und damit die mobile Plattform Unebenheiten oder Hindernisse überqueren können. Erlauben diese dennoch einen weiteren Freiheitsgrad in vertikaler Richtung, analog wie bei einer Radaufhängung von Fahrzeugen, so sind die Aktuatoren für den Antrieb nach wie vor positionsgesteuert ausgelegt und ihre Interaktion mit der Umgebung bzw. dem Untergrund kann tatsächlich nicht in Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit und -struktur des Untergrunds geändert oder gar darauf angepasst werden.
Autonom in einer Umgebung navigierende mobile Plattformen gehen daher immer von der Voraussetzung aus, dass keine externen Kräfte, sei es infolge von Unebenheiten oder durch Kollisionen mit Hindernissen, auftreten können. Das mechanische Design der zum Einsatz kommenden Aktuatoren für den Antrieb der Räder der mobilen Plattform sowie die verwendeten Sensoren sind darauf ausgelegt, lediglich hinsichtlich Position und Geschwindigkeit geregelt zu werden.
Positionsgesteuerte und geschwindigkeitsgeregelte Aktuatoren zeigen aufgrund des Regelprinzips prinzipiell Probleme, wenn derartige mobile Plattformen sich mit einer ständig abwechselnden, im Vorfeld unbekannten Umgebung und Bodenbeschaffenheit auseinandersetzen müssen, da sich der Betrag der resultierenden und auf die Räder einwirkenden Kräfte und Momente ständig und sprunghaft ändern kann. Die Verwendung von aus dem Fahrzeugbereich bekannten Dämpfer- bzw. Federungs- und Aufhängungssysteme wäre insbesondere für mobile Plattformen für Roboter schlichtweg zu komplex und daher zu teuer. Hinzu kommt, dass bei Robotern im Rahmen einer Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK), auch wenn diese auf einer mobilen Plattform angeordnet sind, stets eine sichere physische Interaktion mit Menschen zu gewährleistet ist, d.h. externe Kontakte müssen sofort erkannt werden und das weitere Bewegungsverhalten des Roboters und/oder der mobilen Plattform muss daraufhin abgestimmt werden.
Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mobile Plattform zur Verfügung zu stellen, die vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, für Roboter zum Einsatz kommen soll, und die in der Lage ist, sich auf Unebenheiten der Bodenfläche einzustellen oder sogar Hindernisse zu überqueren einerseits und auf externe Kontakte bei Kollisionen mit Hindernissen im Fahrweg der mobilen Plattform zu reagieren andererseits. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines entsprechenden Steuerverfahrens in Bezug auf die Bewegung einer solchen mobilen Plattform.
Demzufolge schlägt die Erfindung eine mobile Plattform mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung einer solchen mobilen Plattform mit den Merkmalen nach Anspruch 16 vor.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine mobile Plattform mit mehreren Rädern, wobei zumindest ein Rad durch einen Aktuator antreibbar ist, mit einem Steuerungsmittel zum Steuern der Bewegung der Plattform auf einem Untergrund, mit zumindest einer Einrichtung zur Erfassung von horizontalen Kraftkomponenten in Bezug auf das zumindest eine angetriebene Rad und mit zumindest einer Einrichtung zur Erfassung von vertikalen Kraftkomponenten in Bezug auf das zumindest eine angetriebene Rad oder auf zumindest ein weiteres Rad, wobei die horizontalen und vertikalen Kraftkomponenten im Zuge einer Bewegung der mobilen Plattform auf dem Untergrund auf die Räder wirken, und wobei das Steuerungsmittel eingerichtet ist, auf Grundlage der erfassten horizontalen Kraftkomponenten eine Impedanzregelung in Bezug auf die Bewegung des zumindest einen angetriebenen Rads und auf Grundlage der erfassten vertikalen Kraftkomponenten eine direkte Kraftregelung in Bezug auf die Bewegung des zumindest einen angetriebenen Rads oder des zumindest einen weiteren Rads einzustellen.
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die auf die Räder der mobilen Plattform als Reaktion der Bewegung wirkenden Kontaktkräfte in Vertikalrichtung, in Bewegungsrichtung und ggfs. auch lateral hierzu geschätzt werden.
In einer ersten Ausführungsform weist der das Rad antreibende Aktuator, der im Prinzip beliebig als Elektromotor mit Direktantrieb oder mit einem Getriebe ausgestaltet sein kann, die Einrichtung zur Erfassung der horizontalen Kraftkomponenten und die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten auf. Vorzugsweise sind die hierfür notwendigen lateralen Kraftsensoren in dem Aktuator integriert. Es werden daher gemäß der Erfindung die in Bezug auf die Antriebsachse wirkenden horizontalen und vertikalen Kraftkomponenten der externen, bewegungs- und/oder kollisionsresultierenden Kräfte unmittelbar im Aktuator selbst detektiert.
Hierbei wird gemäß der Erfindung die Tatsache genutzt, dass das infolge der Bewegung des angetriebenen Rads auftretende Drehmoment in einer horizontalen Kraftkomponente resultiert, die für eine Drehmomentregelung, sprich Impedanzregelung herangezogen werden kann. Die vertikale Kraftkomponente im Antrieb ergibt sich schlichtweg durch das Gewicht der mobilen Plattform bzw. durch deren Schwerpunkt infolge des Kontakts zum Untergrund. Indem beide Kraftkomponenten genutzt werden, kann gemäß der Erfindung die Kontaktsituation zwischen dem Rad und dem Untergrund und/oder einem Hindernis im Weg bestimmt werden.
Die Einrichtung zur Erfassung der horizontalen Kraftkomponenten und die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten kann jeweils als ein Kraftmesssensor in Bezug auf die Achse des Aktuators ausgebildet sein. Alternativ kann die Einrichtung zur Erfassung der horizontalen Kraftkomponenten und die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten als zumindest ein zweidimensionaler Kraftmesssensor oder Kraft-/Momentensensor in Bezug auf die Achse des Aktuators ausgebildet sein. Mehrdimensionale Sensorkonfigurationen sind ebenso denkbar, wenn bspw. auch die lateral auf die mobile Plattform einwirkenden Kräfte, d.h. in Achsrichtung des Aktuators wirkenden Kräfte, in eine übergeordnete Regelung, bspw. zur Stabilitätskontrolle einfließen sollen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine mobile Plattform in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, bei der der Aktuator drehmomentgeregelt ist und die Einrichtung zur Erfassung der horizontalen Kraftkomponenten als zumindest ein Drehmomentsensor ausgebildet ist, der mit dem Aktuator zusammenwirkt, vorzugsweise in diesem integriert ist, wobei das Steuerungsmittel eingerichtet ist, aus den Drehmomenten, die bei einer Bewegung der Plattform auf das angetriebene Rad permanent wirken, also sowohl bei einer ungestörten Bewegung auf einer ebenen, hindernisfreien Fläche als auch bei Kontakt mit Hindernissen im Bereich der Fläche oder im Fahrweg, entsprechende horizontale Kraftkomponenten zu bestimmen.
Hierbei kann zumindest eines der Räder nichtantreibend ausgebildet sein und mit der Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten zusammenwirken.
Die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten an dem nichtantreibenden, passiven Rad kann als ein Aktuator ausgebildet sein, der kraftgeregelt ist. Hierbei kann es sich auch um einen Aktuator handeln, der in aktiven Federungssystemen zur Anwendung kommt.
Der Vorteil einer solchen Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten liegt auch darin, dass sich mit dieser das Gewicht der von der mobilen Plattform getragenen Lasten bestimmen lässt.
In einer weiteren Ausführungsform der mobilen Plattform kann die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten ein Aktuator sein, der drehmomentgeregelt ist und mit dem nichtantreibenden Rad über einen Getriebemechanismus zusammenwirkt, der ausgebildet ist, die vertikalen Kraftkomponenten in Drehmomente umzuwandeln, wobei der Aktuator einen Drehmomentsensor aufweist und das Steuerungsmittel eingerichtet ist, aus den Drehmomenten entsprechende horizontale Kraftkomponenten zu bestimmen. Die vertikalen Kraftkomponenten werden durch den gemäß der Erfindung vorgesehenen Mechanismus und der hierfür vorgesehenen Regelung folglich in horizontale Kraftkomponenten umgewandelt, so dass sich auch in Bezug auf die vertikalen Kraftkomponenten eine Drehmomentregelung und damit Impedanzregelung implementieren lässt.
In einer besonderen Ausführungsform gemäß der Erfindung soll das Steuerungsmittel, sprich die zum Einsatz kommenden Algorithmen, so eingerichtet sein, dass die Impedanzregelung und die direkte Kraftregelung zu einer diesen übergeordneten Nachgiebigkeitsregelung in Bezug auf die Bewegung der mobilen Plattform kombiniert bzw. verknüpft werden. Dadurch wird es möglich, dass die mobile Plattform insgesamt ein nachgiebiges dynamisches Verhalten zeigt, sowohl in Bezug auf die Bewegung über ungleichförmiges Terrain als auch in Bezug auf die Kollision mit Objekten.
Eine mobile Plattform kann neben dem Transportieren von Lasten auch dazu dienen, mindestens einen Manipulator eines Roboters zu tragen, der zwischen mehreren Arbeitsstationen bewegt werden soll. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem um einen nachgiebigkeitsgeregelten Manipulator, wobei gemäß der Erfindung das Steuerungsmittel des Weiteren dann so eingerichtet sein soll, dass die Nachgiebigkeitsregelung der mobilen Plattform mit der Nachgiebigkeitsregelung des mindestens einen Manipulators bei Bedarf kombiniert bzw. verknüpft werden kann, wobei es von Vorteil ist, wenn der Manipulator und die mobile Plattform ein gemeinsames Steuerungsmittel aufweisen. Die mobile Plattform und der darauf befindliche Manipulator zeigen gemäß der Erfindung ein gemeinsames übergeordnetes nachgiebiges Verhalten.
Dies kann nicht nur für die Abstimmung der Bewegung der mobilen Plattform herangezogen werden, während sich dabei der Schwerpunkt des Manipulators infolge eigener Bewegungen verändert. Sondern vorzugsweise soll gemäß der Erfindung das gemeinsame Steuerungsmittel so eingerichtet sein, dass bei einer Kollision des Manipulators mit einem Objekt auch die mobile Plattform angehalten oder von dem Objekt zurückgetrieben werden kann und/oder bei einer Kollision der mobilen Plattform mit einem Objekt auch der Manipulator angehalten oder von dem Objekt zurückgetrieben werden kann.
Die Fähigkeit zu einem kollaborativen Verhalten der mobilen Plattform wird sozusagen auf den Manipulator ausgedehnt und umgekehrt.
Des Weiteren kann das gemeinsame Steuerungsmittel darüber hinaus so eingerichtet sein, dass im Zuge der Bewegung der Plattform auf diese einwirkende Unebenheiten des Untergrunds durch die Nachgiebigkeitsregelung des Manipulators in Bezug auf die von diesem auszuführenden Tätigkeiten ausgeglichen werden. Dies ermöglicht es, dass ein Manipulator durch die Bewegung seiner mobilen Plattform einen Arbeitsbereich abdecken kann, der über seinen, durch die Anzahl und Dimensionierung seiner Armglieder definierten Arbeitsbereich hinausgeht. Denkbar ist beispielweise, dass sich die mobile Plattform mit dem Manipulator entlang eines groß dimensionierten Werkstücks autonom entlang bewegen kann, z.B. zum Setzen einer Schweißnaht durch Laserschweißen, wobei der Effektor des Manipulators die Optik trägt, wobei hierbei Unebenheiten in der Umgebung des Werkstücks entsprechend berücksichtigt werden.
In einer Ausführungsform ist die mobile Plattform gemäß der Erfindung so konzipiert, dass zwei angetriebene, d.h. aktive Räder auf einer gemeinsamen Drehachse und zumindest zwei nichtantreibende, d.h. passive, mitlaufende Räder auf einer weiteren, gemeinsamen Drehachse vorgesehen sind. Vorzugsweise weisen die angetriebenen Räder einen wesentlich größeren Durchmesser als die nichtantreibenden Räder auf, der über dem Doppelten liegen kann. Da die passiven Räder lediglich im Leerlauf sich bei der Bewegung mitdrehen und nur die vertikalen Gewichtskräfte mit aufnehmen bzw. die mobile Plattform stabilisieren müssen, müssen diese nicht besonders groß dimensioniert sein, zumal für die erfindungsgemäße Regelung diese Räder nur für die vertikalen Kraftkomponenten relevant sind.
Im Zusammenhang mit der mobilen Plattform betrifft die Erfindung des Weiteren auch ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung einer mobilen Plattform mit mehreren Rädern, wobei zumindest ein Rad durch einen Aktuator antreibbar ist, mit einem Steuerungsmittel zum Steuern der Bewegung der Plattform auf einem Untergrund, mit zumindest einer Einrichtung zur Erfassung von horizontalen Kraftkomponenten in Bezug auf das zumindest eine angetriebene Rad und mit zumindest einer Einrichtung zur Erfassung von vertikalen Kraftkomponenten in Bezug auf das zumindest eine angetriebene Rad oder auf zumindest ein weiteres Rad, wobei die horizontalen und vertikalen Kraftkomponenten im Zuge einer Bewegung der mobilen Plattform auf dem Untergrund auf die Räder wirken, aufweisend die Schritte:

- Erfassen von bei einer Bewegung der Plattform an dem zumindest einen angetriebenen Rad auftretenden horizontalen Kraftkomponenten;
- Erzeugen einer Impedanzregelung in Bezug die Bewegung des zumindest einen angetriebenen Rad durch das Steuerungsmittel;
- Erfassen von bei einer Bewegung der Plattform an dem zumindest einen angetriebenen Rad oder an dem zumindest weiteren Rad auftretenden vertikalen Kraftkomponenten; und
- Erzeugen einer direkten Kraftregelung in Bezug auf die Bewegung des zumindest einen angetriebenen Rads oder des zumindest weiteren Rads durch das Steuerungsmittel.

Das Verfahren kann den weiteren Schritt aufweisen:

- Kombinieren der Impedanzregelung und der direkten Kraftregelung in eine übergeordnete Nachgiebigkeitsregelung in Bezug auf die Bewegung der mobilen Plattform.

Für den Fall, dass auf der mobilen Plattform ein Manipulator angeordnet ist, der nachgiebigkeitsgeregelt ist, kann das Verfahren den weiteren Schritt aufweisen:

- Kombinieren der plattformseitigen Nachgiebigkeitsregelung mit der manipulatorseitigen Nachgiebigkeitsregelung zu einer gemeinsamen Nachgiebigkeitsregelung.

Hierbei kann gemäß der Erfindung die gemeinsame Nachgiebigkeitsregelung eingerichtet sein, um bei einer Kollision mit einem Objekt folgende Schritte zu ermöglichen:

- Anhalten oder Zurücktreiben der mobilen Plattform bei Kollision des Manipulators mit einem Objekt; und/oder
- Anhalten oder Zurücktreiben des Manipulators bei Kollision der mobilen Plattform mit einem Objekt, um, wie vorhergehend erwähnt, ein übergeordnetes kollaboratives Verhalten zu ermöglichen.

Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung einer mobilen Plattform nach den vorhergehend geschilderten Ausführungen als ein autonom fahrendes Transportmittel, sei es zum Transportieren von Lasten oder eines Manipulators.
Prinzipiell kann die erfindungsgemäße mobile Plattform vom Regelprinzip her auch in Verbindung mit Kraftfahrzeugen verwendet werden, insbesondere mit einem aktiven Federungssystem eines Kraftfahrzeugs verknüpft oder in dieses integriert werden.
Letztendlich betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Roboter, der eine mobile Plattform nach einem der vorhergehend geschilderten Ausführungsformen aufweist, wobei die mobile Plattform einen integralen Bestandteil der Basis eines Manipulators bilden oder der Roboter separat auf dieser mobilen Plattform montiert werden kann.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens liegt darin, dass durch eine Kontrolle der vertikalen und horizontalen Kraftkomponenten direkt in Bezug auf die Achse des Antriebs oder nur der horizontalen Kraftkomponenten auf diese Achse und der vertikalen Kraftkomponenten in Bezug auf ein nichtantreibendes Rad die so ausgestattete mobile Plattform ein nachgiebiges und feinfühliges Verhalten zeigt, analog wie bei nachgiebigkeitsgeregelten Robotern, und sich daher auf einfache Art und Weise autonom in komplex strukturierten Umgebungen bewegen kann, d.h. über ungleichmäßiges Terrain mit Hindernissen, Stufen, Rampen usw. einerseits. Andererseits kann die mobile Plattform reagieren, sollten sich zufällig Hindernisse wie Objekte und Menschen im Fahrweg befinden. Die mobile Plattform gemäß der Erfindung eignet sich daher für eine Kollaboration mit Menschen, entweder für sich oder auch im Rahmen einer MRK-Situation, wenn die mobile Plattform einen oder mehrere Roboter trägt. Die so konzipierte Plattform ist sogar in der Lage, auf menschliche Gesten zu reagieren, und ließe sich von einem Menschen führen oder aus „dem Weg schieben“.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung der anhand der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen

1a,b schematisch die auf die Räder einer mobilen Plattform wirkenden Normalkräfte relativ zum Untergrund;
2 schematisch das Auftreten einer drehmomentabhängigen horizontalen Kraftkomponente;
3 schematisch die auf die Achse eines Aktuators wirkenden lateralen Kraftkomponenten in Bezug auf eine erste Ausführungsform einer mobilen Plattform gemäß der Erfindung;
4a,b schematisch eine zweite Ausführungsform einer mobilen Plattform gemäß der Erfindung;
5 schematisch eine dritte Ausführungsform einer mobilen Plattform gemäß der Erfindung; und
6 schematisch eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In den 1a und b ist schematisch eine mobile Plattform 1 gezeigt, die einen Schwerpunkt aufweist, und sich über Räder 2 und 3 auf einem Untergrund U entlang bewegt. In Abhängigkeit der Beschaffenheit bzw. Kontur des Untergrunds U stellen sich unterschiedlich ausgerichtete Normalkräfte f1 und f2 ein, bei einer im Wesentlichen ebenen Fläche ausschließlich als vertikale Kräfte und bei einer unebenen Fläche in Abhängigkeit von deren Neigung als entsprechend geneigte Kräfte, die sich dann entsprechend in vertikale und horizontale Kraftkomponenten zerlegen lassen.
Diese Kraftkomponenten sollen für die Steuerung der Bewegung einer mobilen Plattform 1 herangezogen werden, wobei diese jedoch gemäß der Erfindung getrennt voneinander betrachtet werden.
Wie die 2 zeigt, resultiert aus der Bewegung eines Rads 4, das durch einen Aktuator 5 angetrieben wird, ein Drehmoment M, aus dem sich infolge des Kontakts mit dem Untergrund eine horizontale Kraftkomponente F_h bestimmen lässt.
Auf die Achse A eines Aktuators 5 zum Antreiben des Rads 4 wirkt jedoch auch noch eine vertikale Kraftkomponente F_v .
In einer ersten Ausführungsform weist der Aktuator 5 in Bezug auf seine Achse A einen Kraftmesssensor zur Detektion der vertikalen Kraftkomponenten F_v und einen Kraftmesssensor zur Detektion der horizontalen Kraftkomponenten F_h auf, wie durch die 3 angedeutet ist. Die Kraftmesssensoren können jedoch auch als ein zweidimensionaler Sensor verwirklicht sein.
Gemäß der Erfindung ist die Steuerung der mobilen Plattform so eingerichtet, dass sie auf Basis der horizontalen Kraftkomponenten F_h eine Impedanzregelung verwirklicht, also in Bezug auf das Rad 4 die Position und die Kraft im Sinne einer mechanischen Impedanz bei Kontakt mit dem Untergrund U verknüpft, d.h. mit anderen Worten, die Bewegung der mobilen Plattform 1 resultiert in einer horizontalen Kraft F_h . Die eigentliche Kontaktkraft wird hier jedoch nicht explizit als Führungsgröße vorgegeben, sondern indirekt über die Reglerparameter Dämpfung, Steifigkeit und (ggfs. virtuelle) Masse bestimmt.
Die vertikale Kraftkomponente F_v fließt gemäß der Erfindung ausschließlich in eine direkte Kraftregelung ein, d.h. die gewünschte Kraft, mit der ein Rad gegenüber dem Untergrund U wirken soll, definiert einen Sollwert innerhalb eines geschlossenen Regelkreises.
Die 4a und b zeigen schematisch eine zweite Ausführungsform einer mobilen Plattform 1 gemäß der Erfindung.
Diese weist zumindest zwei angetriebene, aktive Räder 6 auf einer Achse und je zwei freidrehende, nicht angetriebene passive Räder 7 auf einer weiteren Achse auf. Zumindest eines der Räder 6 wird von einem Aktuator angetrieben, der einen Drehmomentsensor aufweist. Das resultierende Drehmoment M dient als Ausgangsbasis für die Umsetzung einer Impedanzregelung, analog wie bei nachgiebigkeitsgeregelten Robotern.
Die passiven Räder 7 sind mit Kraftmesssensoren verknüpft, um die vertikalen Kraftkomponenten zu bestimmen, hinsichtlich denen eine direkte Kraftregelung verwirklicht wird.
Gemäß der Erfindung werden dann die Impedanzregelung des aktiven Rads 6 und die direkte Kraftregelung der passiven Räder 7 zu einer für die Bewegungssteuerung der mobilen Plattform 1 übergeordneten Nachgiebigkeitsregelung verknüpft.
Da die passiven Räder 7 nur zur Bestimmung der vertikalen Kräfte dienen, und damit die mobile Plattform 1 quasi nur stützen, müssen diese nicht so groß dimensioniert sein. Die aktiven Räder 6 weisen demgegenüber einen wesentlich größeren Durchmesser auf, da neben einem grundsätzlich besseren Antriebsverhalten (Reibung, Bremswirkung) hierdurch die Regelbarkeit gemäß der Erfindung in Bezug auf die Impedanzregelung aufgrund einer genaueren Bestimmung der horizontalen Kraftkomponenten F_h verbessert wird.
In der 5 ist schematisch eine dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigt.
Ein Getriebemechanismus 8 ist so eingerichtet, dass er die vertikal auf die passiven Räder 7 wirkenden Kräfte in Drehmomente M_v umwandelt, so dass in Bezug auf diese passiven Räder 7 ebenfalls eine Impedanzregelung implementiert werden kann.
Die mobile Plattform 1 gemäß der Erfindung lässt sich steuerungstechnisch mit einem darauf angeordneten Manipulator 9 eines Roboters verbinden, so dass diese eine gemeinsame Steuerung aufweisen. Die Steuerung ist dabei ausgelegt, dass eine gemeinsame Nachgiebigkeitsregelung verwirklicht wird derart, dass bei einer Kollision mit einem Objekt oder einem Menschen folgende Schritte durchgeführt werden können:

- Anhalten oder Zurücktreiben der mobilen Plattform bei Kollision des Manipulators mit einem Objekt; und/oder
- Anhalten oder Zurücktreiben des Manipulators bei Kollision der mobilen Plattform mit einem Objekt.

Claims

Mobile Plattform (1) mit mehreren Rädern (2,3,4,6,7), wobei zumindest ein Rad (2,3,6) durch einen Aktuator (5) antreibbar ist, mit einem Steuerungsmittel zum Steuern der Bewegung der Plattform (1) auf einem Untergrund (U), mit zumindest einer Einrichtung zur Erfassung von horizontalen Kraftkomponenten (F_h) in Bezug auf das zumindest eine angetriebene Rad (2,3,4,6) und mit zumindest einer Einrichtung zur Erfassung von vertikalen Kraftkomponenten (F_v) in Bezug auf das zumindest eine angetriebene Rad (2,3,4,6) oder auf zumindest ein weiteres Rad (2,3,7), wobei die horizontalen und vertikalen Kraftkomponenten (F_h,F_v) im Zuge einer Bewegung der mobilen Plattform (1) auf dem Untergrund (U) auf die Räder (2,3,4,6,7) wirken, und wobei das Steuerungsmittel eingerichtet ist, auf Grundlage der erfassten horizontalen Kraftkomponenten (F_h) eine Impedanzregelung in Bezug auf die Bewegung des zumindest einen angetriebenen Rads (2,3,4,6) und auf Grundlage der erfassten vertikalen Kraftkomponenten (F_v) eine direkte Kraftregelung in Bezug auf die Bewegung des zumindest einen angetriebenen Rads (2,3,4,6) oder des zumindest einen weiteren Rads (2,3,7) einzustellen.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 1, bei der der Aktuator (5) die Einrichtung zur Erfassung der horizontalen Kraftkomponenten (F_h) und die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten (F_v) aufweist.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 2, bei der die Einrichtung zur Erfassung der horizontalen Kraftkomponenten (F_h) und die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten (F_v) jeweils als ein Kraftmesssensor in Bezug auf die Achse (A) des Aktuators (5) ausgebildet sind.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 2, bei der die Einrichtung zur Erfassung der horizontalen Kraftkomponenten (F_h) und die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten (F_v) als zumindest ein zweidimensionaler Kraftmesssensor oder Kraft-/Momentensensor in Bezug auf die Achse (A) des Aktuators (5) ausgebildet sind.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 1, bei der der Aktuator (5) drehmomentgeregelt ist und die Einrichtung zur Erfassung der horizontalen Kraftkomponenten (F_h) als zumindest ein Drehmomentsensor ausgebildet ist, wobei das Steuerungsmittel eingerichtet ist, aus den Drehmomenten, die bei einer Bewegung der Plattform (1) auf das angetriebene Rad (2,3,4,6) wirken, entsprechende horizontale Kraftkomponenten (F_h) zu bestimmen.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 5, bei der zumindest eines der Räder (2,3,7) nichtantreibend ausgebildet ist und mit der Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten (F_v) zusammenwirkt.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 6, bei der die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten (F_v) an dem nichtantreibenden Rad (2,3,7) als ein Aktuator ausgebildet ist, der kraftgeregelt ist.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 6, bei der die Einrichtung zur Erfassung der vertikalen Kraftkomponenten (F_v) ein Aktuator ist, der drehmomentgeregelt ist und mit dem nichtantreibenden Rad (2,3,7) über einen Getriebemechanismus (8) zusammenwirkt, der ausgebildet ist, die vertikalen Kraftkomponenten (F_v) in Drehmomente umzuwandeln, wobei der Aktuator einen Drehmomentsensor aufweist und das Steuerungsmittel eingerichtet ist, aus den Drehmomenten entsprechende horizontale Kraftkomponenten zu bestimmen.
Mobile Plattform (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Steuerungsmittel eingerichtet ist, die Impedanzregelung und die direkte Kraftregelung zu einer übergeordneten Nachgiebigkeitsregelung in Bezug auf die Bewegung der mobilen Plattform (1) zu kombinieren.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 9, wobei auf der Plattform (1) zumindest ein Manipulator (9) anbringbar ist, der nachgiebigkeitsgeregelt ist, und das Steuerungsmittel des Weiteren eingerichtet ist, die Nachgiebigkeitsregelung der mobilen Plattform (1) mit der Nachgiebigkeitsregelung des zumindest einen Manipulators (9) bei Bedarf zu kombinieren.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 10, bei der der zumindest eine Manipulator (9) und die mobile Plattform (1) ein gemeinsames Steuerungsmittel aufweisen.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 11, bei der das gemeinsame Steuerungsmittel so eingerichtet ist, dass bei einer Kollision des Manipulators (9) mit einem Objekt auch die mobile Plattform (1) angehalten oder von dem Objekt zurückgetrieben werden kann und/oder bei einer Kollision der mobilen Plattform (1) mit einem Objekt auch der Manipulator (9) angehalten oder von dem Objekt zurückgetrieben werden kann.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 11 oder 12, bei der das gemeinsame Steuerungsmittel darüber hinaus so eingerichtet ist, dass im Zuge der Bewegung der Plattform (1) auf diese einwirkende Unebenheiten des Untergrunds (U) durch die Nachgiebigkeitsregelung des Manipulators (9) in Bezug auf die von diesem auszuführenden Tätigkeiten ausgeglichen werden.
Mobile Plattform (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 13, bei der zwei angetriebene Räder (6) auf einer gemeinsamen Drehachse und zumindest zwei nichtantreibende Räder (7) auf einer weiteren, gemeinsamen Drehachse vorgesehen sind.
Mobile Plattform (1) nach Anspruch 14, bei der die angetriebenen Räder (6) einen größeren Durchmesser als die nichtantreibenden Räder (7) aufweisen.
Verfahren zur Steuerung der Bewegung einer mobilen Plattform (1) mit mehreren Rädern (2,3,4,6,7), wobei zumindest ein Rad (2,3,4,6) durch einen Aktuator (5) antreibbar ist, mit einem Steuerungsmittel zum Steuern der Bewegung der Plattform (1) auf einem Untergrund (U), mit zumindest einer Einrichtung zur Erfassung von horizontalen Kraftkomponenten (F_h) in Bezug auf das zumindest eine angetriebene Rad (2,3,4,6) und mit zumindest einer Einrichtung zur Erfassung von vertikalen Kraftkomponenten (F_v) in Bezug auf das zumindest eine angetriebene Rad (2,3,4,6) oder auf zumindest ein weiteres Rad (2,3,7), wobei die horizontalen und vertikalen Kraftkomponenten (F_h,F_v) im Zuge einer Bewegung der mobilen Plattform (1) auf dem Untergrund (U) auf die Räder (2,3,4,6,7) wirken, aufweisend die Schritte: - Erfassen von bei einer Bewegung der Plattform (1) an dem zumindest einen angetriebenen Rad (2,3,4,6) auftretenden horizontalen Kraftkomponenten (F_h); - Erzeugen einer Impedanzregelung in Bezug die Bewegung des zumindest einen angetriebenen Rad (2,3,4,6) durch das Steuerungsmittel; - Erfassen von bei einer Bewegung der Plattform (1) an dem zumindest einen angetriebenen Rad (2,3,4,6,) oder an dem zumindest weiteren (2,3,7) Rad auftretenden vertikalen Kraftkomponenten (F_v); und - Erzeugen einer direkten Kraftregelung in Bezug auf die Bewegung des zumindest einen angetriebenen Rads (2,3,4,6) oder des zumindest weiteren Rads (2,3,7) durch das Steuerungsmittel.
Verfahren nach Anspruch 16, weiter aufweisend: - Kombinieren der Impedanzregelung und der direkten Kraftregelung in eine übergeordnete Nachgiebigkeitsregelung in Bezug auf die Bewegung der mobilen Plattform (1).
Verfahren nach Anspruch 17, wobei auf der mobilen Plattform (1) ein Manipulator (9) angeordnet ist, der nachgiebigkeitsgeregelt ist, weiter aufweisend: - Kombinieren der plattformseitigen Nachgiebigkeitsregelung mit der manipulatorseitigen Nachgiebigkeitsregelung zu einer gemeinsamen Nachgiebigkeitsregelung.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die gemeinsame Nachgiebigkeitsregelung eingerichtet ist, um bei einer Kollision mit einem Objekt folgende Schritte zu ermöglichen: - Anhalten oder Zurücktreiben der mobilen Plattform (1) bei Kollision des Manipulators (9) mit einem Objekt; und/oder - Anhalten oder Zurücktreiben des Manipulators (9) bei Kollision der mobilen Plattform (1) mit einem Objekt.
Verwendung einer mobilen Plattform (1) nach den Ansprüchen 1 bis 9 als ein autonom fahrendes Transportmittel.
Verwendung einer mobilen Plattform (1) nach den Ansprüchen 1 bis 9 in Verbindung mit einem aktiven Federungssystem eines Kraftfahrzeugs.
Roboter aufweisend eine mobile Plattform (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.