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Die Erfindung betrifft einen Radantrieb zur Fortbewegung eines autonomen Reinigungsroboters mit einem ersten Abtriebsrad, mit einem Motor und ggf. einem ersten Getriebe zwischen dem Motor und dem ersten Abtriebsrad zum Antrieb des ersten Abtriebsrads durch den Motor. Die Erfindung betrifft auch einen Reinigungsroboter mit einem derartigen Radantrieb.
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In US 2004 / 0 262 060 A1 ist ein Antriebssystem für einen Reinigungsroboter beschrieben. Das Antriebssystem weist beidseitig jeweils zwei Laufräder auf, die mit einem Zahnriemen miteinander in Verbindung stehen. Das kleinere der beiden Laufräder weist eine Federung auf.
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Fahrzeuge mit Radantrieben können, verglichen mit dem Durchmesser der Räder, nur einen Bruchteil dieses Durchmessers an Höhe steigen. Auch sinken Fahrzeuge mit Radantrieb auf weichen Untergründen, wie zum Beispiel dicken Teppichen, ein, wodurch die Bewegung des Reinigungsroboters auf diesen Untergründen erschwert wird. Ketten- oder Raupenantriebe besitzen gegenüber Radantrieben den Vorteil, dass ihre Gleisketten eine hohe Traktion aufweisen. Allerdings zeigen Ketten- oder Raupenantriebe kein gutes Kurvenfahrverhalten und sammeln Fasern von dem zu reinigenden Substrat auf.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb für Reinigungsroboter zu entwickeln, bei dem die oben genannten Nachteile von Kettenantrieben und Radantrieben überwunden oder zumindest abgemildert werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Radantrieb zur Fortbewegung eines autonomen Reinigungsroboters der oben genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass er mindestens ein in Reihe zu dem ersten Abtriebsrad überlappend angeordnetes zweites Abtriebsrad umfasst. Der Radantrieb verfügt folglich über jeweils ein Laufwerk je Seite, das jeweils aus mindestens zwei angetriebenen Abtriebsrädern besteht. Beide Laufwerke zusammen bilden das Fahrwerk des Roboters, erfindungsgemäß in der Form eines Radantriebs. Die Abtriebsräder sind insofern in Reihe angeordnet, als ihre Wellen in einer Hauptfahrtrichtung des Roboters betrachtet parallel hintereinanderliegen. Ihre in Hauptfahrtrichtung zueinander versetzte Anordnung, durch die die Wellen einen Abstand voneinander einnehmen, der geringer ist als die Summe der jeweiligen Radien der Abtriebsräder und durch die sie sich in einer Seitenansicht gegenseitig überlappen, macht sie zu einem Schachtellaufwerk. Damit gelingt es, ein Laufwerk zu schaffen, dessen Abmessungen in der Länge bzw. in Fahrtrichtung weitgehend unabhängig von den Radien der Laufräder sind. Dadurch können grundsätzlich größere Räder verwendet werden, deren größere Kontaktflächen zum Boden eine bessere Traktion ermöglichen als kleinere angetriebene Räder. Zudem erlaubt es die verschachtelte Bauweise des Laufwerks, auch mehr als nur zwei einander überlappende Räder zu umfassen und damit noch mehr Kontaktfläche je Laufwerk zu erzeugen. Ein Vorteil der Nutzung eines Radantriebs gegenüber der Nutzung eines Kettenantriebs besteht in der besseren Lenkbarkeit eines Reinigungsroboters mit Radantrieb.
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Die Erfindung wendet sich also davon ab, aus Gründen der besseren Traktion auf einen Kettenantrieb zu setzen. Denn bewegt sich ein Reinigungsroboter mit einem Kettenantrieb auf einem Bodenbelag, so durchläuft die Kette aufgrund des Umlaufs der Kette zwischen dem Abtriebsrad und dem Führungsrad zyklisch drei unterschiedliche Phasen. Die erste Phase betrifft einen Formschluss oder Kraftschluss eines Teils der Kette mit dem Antriebs- oder Führungsrad, wobei dieser Teil der Kette umgelenkt wird. Die zweite Phase betrifft einen Zustand, in dem sich ein Teil der Kette in Kontakt mit dem Boden befindet, über den sich der Reinigungsroboter bewegt. Dabei hat dieser Teil der Kette keinen Kontakt zum Antriebs- oder Führungsrad. Während der dritten Phase befindet sich ein Teil der Kette in der Luft ohne Kontakt zum Antriebs- oder Führungsrad. Aufgrund des Wechsels zwischen der ersten und der zweiten Phase neigen Ketten dazu, insbesondere lange Fasern in das Fahrwerk einzuziehen. Anschließend kann es zum Umschlingen der Kette oder der Wellen der Abtriebsräder mit diesen Fasern kommen. Dadurch wird zumindest die Optik des Antriebes beeinträchtigt.
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Die Erfindung verfolgt dagegen das Prinzip eines Radantriebs, dem sie aber durch die geschachtelte Anordnung der Abtriebsräder eine größere Kontaktfläche mit dem Boden pro Längeneinheit des Radantriebs und damit eine erheblich bessere Traktion verleiht, als sie herkömmliche Radantriebe bieten. Damit kann ein kompakter Reinigungsroboter mit guter Traktion und Wendigkeit erzielt werden.
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Die Abtriebsräder eines Laufwerks können grundsätzlich einzeln angetrieben sein, also mit jeweils einem eigenen Motor gekoppelt sein, ggf. unter Zwischenschalten eines Getriebes. Das erste Getriebe kann aber entbehrlich sein. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen dem ersten Abtriebsrad und dem zweiten Abtriebsrad ein zweites Getriebe zum Antrieb des zweiten Abtriebsrads durch das erste Abtriebsrad angeordnet sein. Die Anordnung des zweiten Getriebes zwischen den Abtriebsrädern ist nicht zwingend räumlich zu verstehen, sondern in erster Linie funktional. Zweckmäßigerweise sind die Abtriebsräder also über das zweite Getriebe miteinander gekoppelt, weil sich damit u. a. Bauraum für einen Motor einsparen lässt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radantriebs ist das zweite bzw. jedes weitere Abtriebsrad um die Welle des ersten bzw. vorangehenden Abtriebsrads schwenkbar gelagert. Das Laufwerk kann sich dadurch, insbesondere bei einer größeren Anzahl von Rädern, ähnlich einer Kette besser an Unebenheiten anpassen und aufgrund des verbesserten Bodenkontakts mehr Traktion entwickeln. Zusammen mit dem kurzen Radstand der Räder relativ zueinander verleiht die Schwenkbarkeit dem Laufwerk zudem eine verbesserte Steigfähigkeit. Weil alle Räder des Laufwerks in kurzen Abständen zueinander Bodenkontakt behalten, kann der Roboter eine Traktion aufbauen, die auch eine Überwindung von Hindernissen ermöglicht.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radantriebs weist er eine elastische Schwenklagerung zumindest des zweiten Abtriebsrads auf. Die elastische Lagerung kann zudem eine Dämpfung von Schwenkbewegungen des zweiten Abtriebsrads bieten. Sie bewirkt jedenfalls einen gewissen Anpressdruck des zweiten Abtriebsrads gegen den Boden bei einer Kippbewegung des Gehäuses des Reinigungsroboters, insbesondere bei einem An- und Überfahren von Hindernissen. Damit dient sie dem Aufrechterhalten der Traktion. Zur Realisierung der elastischen Lagerung kann zum Beispiel eine Zug- oder Druckfeder verwendet werden. Mit einem beispielsweise geschäumten Elastomer als Bestandteil der elastischen Lagerung kann zugleich die Dämpfungswirkung erzielt werden.
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In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radantriebs weist er eine Zugfeder auf, die zwischen der Schwenklagerung des Abtriebsrads und dem Gehäuse des Reinigungsroboters angebracht ist. Eine Federung mit einer Zugfeder benötigt keine seitliche Führung der Feder und vereinfacht damit ihren Aufbau.
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Alternativ kann der erfindungsgemäße Radantrieb über eine Druckfeder verfügen, etwa um sich besser an vorhandene Raumverhältnisse des Gehäuses anpassen zu lassen.
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Je nach Positionierung der Feder in dem Gehäuse kann ein Hebel fest an der Schwenklagerung angeordnet sein, an dem das elastische Element befestigt ist. Der Hebel kann zum Beispiel aus Platzgründen zum Einsatz kommen und eine Umlenkung einer Zug- oder Druckkraft ermöglichen, um für eine beispielsweise aus Platzgründen vorbestimmte Aufhängungsposition der Feder eine gewünschte Schwenkbewegung der Räder als Reaktion auf eine bestimmte Gehäusebewegung zu erhalten.
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Das zweite Getriebe sorgt für eine Übertragung der Antriebskraft vom ersten Abtriebsrad auf das zweite Abtriebsrad. Der erfindungsgemäße Radantrieb kann zum Beispiel mit einem oder mehreren Stirnrädern oder einem Zugmittelgetriebe als Bestandteil des zweiten Getriebes ausgestattet sein. Jedenfalls ermöglichen die genannten Getriebearten eine Übertragung der Antriebskraft zwischen einzelnen Abtriebsrädern, wodurch die Traktion auch an den zweiten und ggf. weiteren Abtriebsrädern erzeugt wird.
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In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Radantriebs können die Abtriebsräder den gleichen Durchmesser haben. Das zweite Getriebe verfügt dann über eine Übersetzung zwischen den Abtriebsrädern im Verhältnis von 1 : 1. Gleich große Räder können den Bauraum für das Laufwerk im Robotergehäuse optimal ausnutzen, ermöglichen einen ruhigen Geradeauslauf und eine vereinfachte Kraftübertragung zwischen den Rädern, beispielsweise über ein Zugmittel. Das Übersetzungsverhältnis erlaubt damit einen besonders einfachen Aufbau des zweiten Getriebes.
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In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Radantriebs können das erste Abtriebsrad und das zweite Abtriebsrad einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Unterschiedlich große Räder können den Platzbedarf des Radantriebs reduzieren.
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Mit unterschiedlichen Durchmessern der Abtriebsräder erfordern sie unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten, um auf dieselbe Umfangsgeschwindigkeit zu kommen. Bei einem individuellen motorischen Antrieb der Abtriebsräder können die unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten durch eine entsprechende Ansteuerung der Motoren erzielt werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das zweite Getriebe mit einer geeigneten Übersetzung für ihre übereinstimmende Umfangsgeschwindigkeit der Abtriebsräder sorgen.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem bei dem oben genannten Reinigungsroboter dadurch gelöst, dass er den ausführlich erläuterten erfindungsgemäßen Radantrieb umfasst. Damit bieten sich auch dem Reinigungsroboter die Vorteile des erfindungsgemäßen kombinierten Radantriebs. Außerdem kann er in an sich bekannter Weise eine Steuerung, eine Energieversorgungseinheit, eine Reinigungseinheit, eine Sensoreinheit und eine Kommunikationseinheit aufweisen.
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Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung eines Radantriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf ebener Lauffläche,
- 2: eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Radantriebs bei dem Überwinden einer Stufe,
- 3: eine schematische Darstellung eines Radabtriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Hebel und einer Feder
- 4: eine schematische Darstellung eines Reinigungsroboters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Radantriebs 20 bzw. nur eines von zwei Laufwerken eines Fahrwerks eines Reinigungsroboters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auf einer ebenen Lauffläche 4 erfolgt die Traktion über zwei gleichgroße Räder 21, 22 je Laufwerk, die über ein Getriebe (nicht gezeigt) miteinander verbunden sind.
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Ein erstes, in 1 rechtes Abtriebsrad 21 wird von einem Motor (nicht gezeigt) über ein erstes Getriebe (nicht gezeigt) angetrieben. Zum Antrieb eines mit dem ersten Abtriebsrad 21 verschachtelt angeordneten zweiten, in 2 linken Abtriebsrads 22 wird ebenfalls ein Getriebe (nicht gezeigt) genutzt.
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Die verschachtelte Anordnung der Räder 21, 22 bietet eine im Vergleich zu einem gewöhnlichen Radantrieb mit gleichem Radstand mit entsprechend kleineren Rädern verbesserte Traktion sowie eine verbesserte Steigfähigkeit. Dies liegt an den vergleichsweise großen Rädern, die eine größere Kontaktfläche zum Boden haben als kleinere Räder. Im Vergleich zu Ketten- oder Raupenantrieben bietet der Radantrieb eine bessere Lenkbarkeit.
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Zwischen dem ersten Abtriebsrad 21 und dem zweiten Abtriebsrad 21 befindet sich ein starres Verbindungselement 23, welches den Radstand der beiden Abtriebsräder 21, 22 definiert. Das zweite Getriebe kann zum Beispiel eine Anzahl von mindestens drei axial angeordneten Zahnrädern (nicht gezeigt) umfassen, die zur Kraftübertragung von dem ersten Abtriebsrad 21 auf das zweite Abtriebsrad 22 ineinander eingreifen.
2 zeigt eine schematische Darstellung des in 1 veranschaulichten Radantriebs 20 in einer Situation, in der der Radantrieb 20 auf eine Stufe 4a auffährt. Das zweite Abtriebsrad 22 ist gegenüber einem nicht dargestellten Gehäuse des Roboters schwenkbar um das erste Abtriebsrad 21 gelagert, so dass es bei dem Überwinden der Stufe 4a um die Achse des ersten Abtriebsrads 21 herumgeschwenkt wird. Umgekehrt findet auch eine Schwenkbewegung des ersten Abtriebsrads 21 um das zweite Abtriebsrad 22 statt, wenn sich das erste Abtriebsrad 21 im weiteren Verlauf der Bewegung des Radantriebs 20 über die Stufe 4a hinwegbewegt. Dabei bleibt allerdings das Gehäuse (nicht gezeigt) in seiner Lage relativ zu dem ersten Abtriebsrad 21 in unveränderter Position, d. h. das Gehäuse wird quasi mitgeschwenkt, da es im Gegensatz zu der Achse des zweiten Abtriebsrad 22 mit der Achse des ersten Abtriebsrads 21 fest verbunden ist (siehe 3). Aus dem verkürzten Radstand sowie der möglichen Schwenkbewegung der Räder relativ zueinander ergibt sich eine verbesserte Steigfähigkeit. D. h., das Fahrwerk kann sich ähnlich einer Kette besser an Unebenheiten anpassen und kann aufgrund der aus der Anpassung resultierenden größeren Auflagefläche auf dem Boden mehr Traktion pro Längeneinheit des Laufwerks entwickeln.
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3 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Radabtriebs 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer elastischen Schwenklagerung aus einem Hebel 41 und einer Feder 43. Der Radantrieb 40 weist wie in 1 und 2 ein erstes Abtriebsrad 21 und ein zweites Abtriebsrad 22 auf, die über ein Verbindungselement 23 miteinander verbunden sind. Ein erstes Ende 42a des Hebels 42 ist mit dem Verbindungselement 23 des zweiten Abtriebsrads 22 fest verbunden und das zweite Ende 42b ist über eine vorgespannte Zugfeder 43 an einem Gehäuse 44 des Reinigungsroboters angeschlossen. Der Hebel 42 und die daran befestigte Feder 43 leiten auf das zweite schwenkbar gelagerte Abtriebsrad 22 ein abwärts gerichtetes Drehmoment ein. Das Drehmoment wirkt damit einem Abheben des zweiten Abtriebsrads 22 zum Beispiel aufgrund von Bodenunebenheiten entgegen und kann eine Dämpfung der Schwenkbewegung des zweiten Abtriebsrads 22 in der Gegenrichtung erzeugen. Dadurch wird der Bodenkontakt zuverlässig aufrechterhalten sowie der Anpressdruck des zweiten Abtriebsrads 22 erhöht. Bei einem Anheben des Reinigungsroboters zum Beispiel durch Auffahren des Gehäuses auf ein Hindernis bleibt die Traktion des zweiten Abtriebsrads 22 erhalten, aber nach wie vor auch eine Auslenkung in das Gehäuse hinein, beispielsweise beim Auftreffen des zweiten Abtriebsrads 22 selbst auf ein Hindernis.
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4 veranschaulicht schematisch einen Reinigungsroboter 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Reinigungsroboter 50 umfasst eine Energieversorgungseinheit 51, wie zum Beispiel eine Batterie, und eine Steuerungseinheit 52. Die Steuerungseinheit 52 erhält Informationen über die Umgebung von einer Sensoreinheit 54. Die Sensoreinheit 54 ist ebenfalls Teil des Reinigungsroboters 50. Der Reinigungsroboter 50 umfasst eine Reinigungseinheit 53, eine Kommunikationseinheit 55 und den erfindungsgemäßen Radantrieb 40. Von der Energieversorgungseinheit 51 gehen Energieflüsse (gestrichelt gezeichnet) zur Steuerungseinheit 52, zur Sensoreinheit 54, zur Kommunikationseinheit 55 sowie zur Antriebseinheit 40. Die Steuerungseinheit 52 erhält Informationen (durchgezogen gezeichnet) von der Sensoreinheit 54. Weiterhin übermittelt die Steuerungseinheit 52 Steuerbefehle (durchgezogener Strich) an die Energieversorgungseinheit 51, an die Reinigungseinheit 53, an die Kommunikationseinheit 55 und die Antriebseinheit 40. Umgekehrt werden auch Informationen von der Energieversorgungseinheit 51 und der Kommunikationseinheit 55 an die Steuerungseinheit 52 übermittelt.
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Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Radantrieben und Reinigungsrobotern um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Anzahl und der Radien der Abtriebsräder, die der Federung und der Kraftübertragung zwischen den einzelnen Rädern in anderer Form als in der hier beschriebenen erfolgen. Ebenso können auch einzelne Bauelemente in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platz- bzw. gestalterischen Gründen notwendig ist. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Radantrieb
- 21
- erstes Abtriebsrad
- 22
- zweites Abtriebsrad
- 23
- starres Verbindungselement
- 40
- Radantrieb mit Hebel und Feder
- 42
- Hebel
- 42a
- erstes Ende des Hebels
- 42b
- zweites Ende des Hebels
- 43
- Feder
- 43a
- erstes Ende der Feder
- 43b
- zweites Ende der Feder
- 44
- Gehäuse des Roboters
- 50
- Reinigungsroboter
- 51
- Energieversorgungseinheit
- 52
- Steuerungseinheit
- 53
- Reinigungseinheit
- 54
- Sensoreinheit
- 55
- Kommunikationseinheit
