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Die vorliegende Erfindung betrifft einen sphärischen Roboter.
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Sphärische Roboter bieten die Möglichkeit der Umsetzung eines holonomen Systems. Bei derartigen Systemen hat eine Orientierung des Roboters keinen Einfluss auf die gewünschte Fortbewegungsrichtung.
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Derartige sphärische Roboter haben üblicherweise eine sphärische Hülle, in der der Antrieb aufgenommen ist. Der Antrieb ist somit vollständig von der Umgebung abgeschirmt, sodass keine exponierten Schwachstellen bei Kollisionen bestehen.
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Bekannte sphärische Robotersysteme können auf unterschiedliche Art und Weise angetrieben werden. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, einen derartigen Roboter nach dem Prinzip der Abweichung des Baryzentrums anzutreiben, indem eine Verschiebung des Massenschwerpunkts der Kugel erfolgt. Dafür ist ein innerer Mechanismus vorgesehen, der dann den Roboter in die entsprechende Bewegung zwingt. Die Fortbewegung kann dabei durch ein einzelnes Rad oder mehrere Räder, die auf der Innenfläche der Außenhülle abwälzen, umgesetzt werden. Dieses Prinzip ist somit mit einem Hamsterrad vergleichbar. Auch besteht die Möglichkeit, dass ein Pendel im inneren des Roboters angeordnet ist, wobei über die Verstellung des Pendels eine Massenschwerpunktverschiebung erfolgt.
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Ein weiteres Prinzip eines Antriebs eines sphärischen Roboters ist das sogenannte Hüllentransformationsprinzip. Dabei erfolgt eine gezielte Formänderung der Außenhülle oder eine Ausnutzung von Umwelteinflüssen wie beispielsweise Wind.
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Die dritte Antriebsmethode erfolgt nach dem Prinzip der Konservierung des Drehmoments. Dabei werden Deviationsmomente bei Schwungrädern zur Fortbewegung des Roboters genutzt.
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Bei der Antriebsmethode nach dem Prinzip der Abweichung des Baryzentrums kann nur eine limitierte Leistung zur Verfügung gestellt werden, da der Massenschwerpunkt nicht außerhalb der Kugel verlegt werden kann.
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Der Antrieb nach dem Prinzip der Hüllentransformation ist zumeist empfindlich in Hinblick auf äußere Einflüsse.
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Bei dem Antrieb über die Konservierung des Drehmoments muss zwangsläufig ein sehr schweres Schwungrad vorgesehen sein oder das Schwungrad muss mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit rotieren. Beides führt zu Nachteilen bei der Auslegung des Roboters.
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Die zuvor beschriebenen sphärischen Robotersysteme sind dem Anmelder bekannte Systeme, müssen jedoch nicht notwendigerweise zum Stand der Technik gehörende Systeme sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sphärischen Roboter mit einem verbesserten Antriebssystem zu schaffen.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße sphärische Roboter weist einen eine äußere Lauffläche bildenden kugelförmigen Hüllenkörper und ein im Hüllenkörper angeordnetes Antriebssystem auf. Das Antriebssystem wirkt mit dem Hüllenkörper zum Antrieb des Hüllenkörpers zusammen. Dabei ist vorgesehen, dass das Antriebssystem ein in dem Hüllenkörper umlaufendes Getriebe mit mindestens vier kugelförmigen Wälzkörpern aufweist, wobei die Wälzkörper mit einer Innenfläche des Hüllenkörpers zur Übertragung einer Antriebskraft zusammenwirken, wobei die Wälzkörper an einem Träger gelagert sind und eine Antriebsvorrichtung die Wälzkörper antreibt. Durch das Vorsehen von einem Getriebe mit vier kugelförmigen Wälzkörpern kann sichergestellt werden, dass ein stabiler Kontakt zwischen den Wälzkörpern und dem Hüllenkörper vorliegt, sodass eine Übertragung der Antriebskraft in vorteilhafter Weise erfolgen kann. Das erfindungsgemäße Antriebssystem kann mittels der durch die Antriebsvorrichtung angetriebenen Wälzkörpern die Hülle in vorteilhafter Weise antreiben, wobei auch eine hohe Leistung in vorteilhafter Weise übertragen werden kann. Insbesondere lässt sich mittels des Antriebssystems des erfindungsgemäßen sphärischen Roboters in besonders vorteilhafter Weise eine holonome Bewegung verwirklichen, indem die Antriebsvorrichtungen die Wälzkörper entsprechend steuern, sodass eine Bewegung des Hüllenkörpers in die gewünschte Richtung erfolgt.
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Die Antriebsvorrichtung kann beispielsweise elektrisch betrieben werden. Hierfür kann das Antriebssystem eine entsprechende Energieversorgung, beispielsweise eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher aufweisen. Der Energiespeicher kann beispielsweise induktiv geladen werden.
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Vorzugsweise sind die Wälzkörper gleichmäßig innerhalb des Hüllenkörpers angeordnet. Grundsätzlich bietet der erfindungsgemäße sphärische Roboter den Vorteil, dass sich das Antriebssystem innerhalb der Hülle nicht verschieben kann und somit der erfindungsgemäße sphärische Roboter sehr robust gegenüber Erschütterungen und Kollisionen ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Getriebe vier Wälzkörper aufweist, wobei jeweils ein Wälzkörper auf einer mathematischen Achse des Antriebssystems angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Antriebssystem somit vier mathematische Achsen auf.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Getriebe sechs Wälzkörper aufweist, wobei jeweils zwei Wälzkörper entlang einer mathematischen Achse des Antriebssystems angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung weist das Antriebssystem somit drei Achsen auf. Vorzugsweise verlaufen die drei Achsen orthogonal zueinander. Eine derartige Ausgestaltung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebsvorrichtung mehrere Statoren und einen in dem Träger gelagerten Rotor aufweist, wobei die Statoren um die Achsen angeordnet sind, ein Magnetfeld im Inneren des Trägers erzeugen und den Rotor magnetisch antreiben und wobei der Rotor die Wälzkörper antreibt. Die Antriebsvorrichtung ist somit in der Art eines Elektromotors aufgebaut. Durch die Anordnung der Statoren um die Achsen kann der resultierende Magnetfeldvektor mit Zentrum des Trägers um jede beliebige Raumachse rotiert werden. Dadurch erfolgt eine entsprechende Rotation des Rotors, der wiederum die Wälzkörper entsprechend antreibt.
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Der Träger kann in seinem Inneren einen Raum aufweisen, in dem der Rotor gelagert ist. Der Rotor kann beispielweise ein Permanentmagnet sein oder einen derartigen Magneten aufweisen. Vorzugsweise weist der Rotor eine Kugelform auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wälzkörper die Antriebskraft reib- und/oder formschlüssig auf den Hüllenkörper übertragen und/oder dass der Rotor die Antriebskraft reib- und/oder formschlüssig auf die Wälzkörper überträgt.
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Die Wälzkörper können mit einer entsprechenden Vorspannung gegen die Innenfläche des Hüllenkörpers gedrückt werden, sodass in vorteilhafter Weise eine reibschlüssige Übertragung möglich ist. Grundsätzlich ist aber auch eine formschlüssige Übertragung der Antriebskraft möglich, indem beispielsweise die Innenfläche des Hüllenkörpers ein Muster aus Vertiefungen aufweist und die Wälzkörper eine Oberfläche mit an die Vertiefung angepassten Vorsprüngen aufweisen.
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Für eine reibschlüssige Übertragung der Antriebskraft von dem Rotor auf die Wälzkörper kann ebenfalls eine entsprechende Vorspannung vorgesehen sein, die einen reibschlüssigen Kontakt zwischen dem Rotor und den Wälzkörpern sicherstellt. Eine formschlüssige Übertragung kann durch eine entsprechende Anpassung der Oberflächen von Rotor und Wälzkörper aneinander erfolgen. Wenn beispielsweise der Wälzkörper aufgrund einer formschlüssigen Kraftübertragung der Antriebskraft auf den Hüllenkörper Vorsprünge aufweist, kann der Rotor entsprechende Vertiefungen aufweisen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Statoren als Spulen ausgebildet sind, wobei eine oder mehrere Spulen jeweils eine Achse umgebend angeordnet ist bzw. sind. Vorzugsweise sind jeweils zwei Spulen um eine Achse angeordnet. Dadurch kann beispielsweise eine Helmholtzspulenanordnung bzw. eine Maxwellspulenanordnung erfolgen.
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Die Statoren können durch die Energieversorgungseinrichtung mit Strom beaufschlagt werden, wobei beispielsweise eine Steuerungsvorrichtung das durch die Statoren hervorgerufene Magnetfeld steuert.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass jeweils mehrere Statoren radial um eine der Achsen angeordnet sind. Die Statoren können somit sternförmig, ähnlich wie bei einer bürstenlosen Synchronmaschine, um die Achse angeordnet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die als Spulen ausgebildeten Statoren jeweils einen der Wälzkörper umgebend angeordnet sind oder dass jeweils die mehreren Statoren sternförmig um einen der Wälzkörper angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine besonders platzsparende Ausgestaltung des Antriebssystems des erfindungsgemäßen Roboters möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wälzkörper einen Eisenkern oder Elemente aus Kobalt und Eisen aufweisen. Insbesondere bei Ausführungsformen, in denen die Wälzkörper durch den oder die Statoren umgeben sind, kann durch einen Eisenkern oder eine Kobalt-Eisen-Paketierung an oder in den Wälzkörpern erreicht werden, dass die magnetische Flussdichte zum Zentrum des Trägers erhöht wird, wodurch das damit verbundene Drehmoment ebenfalls erhöht werden kann. Die Wälzkörper können somit auch die Funktion von magnetfeldverstärkenden Elementen erfüllen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboters ist vorgesehen, dass der Rotor kugelförmig ausgebildet ist und einen kleineren Durchmesser aufweist als die Wälzkörper. Dadurch wird eine Übersetzung zwischen dem Rotor und dem Wälzkörper zur Verfügung gestellt. Da die Wälzkörper zwangsläufig einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Hüllenkörper, kann das Antriebssystem somit in vorteilhafter Weise eine hohe Übersetzung bereitstellen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Roboter können die Wälzkörper einen gleichen Durchmesser aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Roboter kann vorgesehen sein, dass der Hüllenkörper eine Ummantelung oder eine Schicht aus Eisen, Blei und/oder Mumetall aufweist. Durch eine derartige Ummantelung oder Schicht kann der Hüllenkörper eine gegenüber Strahlung und/oder Magnetfelder abschirmende Funktion erfüllen, wodurch das Antriebssystem gegenüber derartigen Störeinflüssen geschützt werden kann. Selbstverständlich kann auch ein anderes abschirmendes Material für eine Ummantelung oder eine Schicht des Hüllenkörpers verwendet werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Träger ein verschiebbares Gewicht aufweist, wobei über das verschiebbare Gewicht der Massenschwerpunkt des Trägers veränderbar ist. Über die Verschiebung des Massenschwerpunktes des Trägers kann dieser festgesetzt werden, sodass eine Übertragung der Antriebskraft von dem Rotor auf den Hüllenkörper in vorteilhafter Weise erfolgen kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen sphärischen Roboters kann das Antriebssystem beispielsweise ein Getriebe mit sechs Wälzkörpern aufweisen, die in den Träger über Stützlager gelagert sind. Im Zentrum des Trägers kann der Rotor in Form eines Kugelmagnets angeordnet sein. Drei Spulenpaare können konzentrisch um Raumachsen in einer Helmholtzkonfiguration angeordnet sein. Jeweils eine Spule kann einen der Wälzkörper umgeben. Durch eine Einzel- oder Serienbestromung der Spulen kann nun ein homogenes Magnetfeld erzeugt werden, welches um jede beliebige Raumachse rotiert werden kann. Das in dieser Form gebildete Getriebe kann so betrachtet werden, dass es drei Leistungswellen aufweist, nämlich den Rotor, den umgebenden Hüllkörper und den Träger. Der Freiheitsgrad des Getriebes ist nun Laufgrad F=2 je Rotationsachse. Daher ist es wünschenswert, wenn der Laufgrad auf F=1 je Rotationsachse eingeschränkt wird, das durch ein Festsetzen einer der Wellen erfolgen kann. Dies erfolgt beispielsweise durch die Verschiebung des Massenschwerpunkts des Trägers, um diesen festzulegen.
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Bei dem erfindungsgemäßen sphärischen Roboter kann der Hüllenkörper den Roboter hermetisch verschließen, wodurch das Innere des sphärischen Roboters geschützt ist. Auf diese Weise ist auch ein Einsatzgebiet des sphärischen Roboters beispielsweise in Kernkraftwerken oder in der Explorationsrobotik in der Raumfahrt geeignet.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass bei dem Antriebssystem des erfindungsgemä-ßen Roboters weitere Getriebeelemente vorgesehen sind, um die Übersetzung weiter anzupassen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sphärischen Roboter ist es insbesondere möglich, eine Rotation um jede beliebige Achse in Raum durchzuführen und sodass auch eine Übersetzung um jede beliebige Achse in Raum vorliegt.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen sphärischen Roboters,
- 2 eine schematische Explosionsansicht des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen sphärischen Roboters,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen sphärischen Roboters, und
- 4 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen sphärischen Roboters.
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In den 1, 2 und 3 ist ein erfindungsgemäßer sphärischer Roboter 1 schematisch dargestellt.
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Der sphärisch Roboter 1 weist einen kugelförmigen Hüllenkörper 3 auf, der eine Lauffläche 5 bildet. In dem Hüllenkörper 3 ist eine Antriebssystem 7 angeordnet. Das Antriebssystem 7 dient zum holonomen Antrieb des Hüllenkörpers 3. Das Antriebssystem 7 weist ein Getriebe 9 auf, dass bei dem in 1-3 dargestellten Ausführungsbeispiel sechs kugelförmige Wälzkörper 11 umfasst. Die Wälzkörper 11 sind in einem Träger 13 mittels Wälzlagern 15 gelagert.
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Die Wälzkörper 11 liegen an eine Innenfläche 17 des Hüllenkörpers 3 an und übertragen eine Antriebskraft reibschlüssig auf den Hüllenkörper 3. Hierzu kann eine Vorspannung der Wälzkörper 11 in Richtung des Hüllenkörpers 3 vorgesehen sein.
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Wie am Besten aus 2 ersichtlich ist, sind jeweils zwei der Wälzkörper 11 entlang einer mathematischen Achse 19a, 19b, 19c angeordnet, wobei die Achsen 19a-19c orthogonal zueinander verlaufen und den Raumachsen entsprechen.
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Der Träger 13 weist einen Freiraum 21 im Inneren auf, in dem ein kugelförmiger Rotor 23 gelagert ist. Der Rotor 23 wirkt reibschlüssig mit den Wälzkörpern 11 zusammen, sodass eine Bewegung des Rotors 23 und somit eine Antriebskraft auf die Wälzkörper 11 reibschlüssig übertragen wird.
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Das Antriebssystem 7 weist ferner eine Antriebsvorrichtung auf, die den Rotor 23 umfasst, sowie mehrere Statoren in Form von Spulen 25. Jeweils zwei Spulen 25 sind dabei eine der Achsen 19a-19c umgebend angeordnet und bilden eine Helmholtzspulenanordnung.
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Über eine nicht dargestellte Stromversorgung, beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator, werden die Spulen 25 einzeln oder in Serie mit Strom beaufschlagt, wodurch ein Magnetfeld im Inneren des Trägers 13 erzeugt werden kann. Über das Magnetfeld wird der Rotor 23 in eine Rotation versetzt und überträgt die Bewegung und somit die Antriebskraft auf die Wälzkörper 11, die wiederum die Bewegung und Antriebskraft auf den Hüllenkörper 3 übertragen. Auf diese Weise ist der sphärische Roboter bewegbar.
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Da der resultierende Magnetfeldvektor des Magnetfeldes um jede beliebige Achse 19a-19b rotiert werden kann, ist eine holonome Bewegung möglich.
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Die Spulen 25 sind zur Verringerung des Platzbedarfs um die Wälzkörper 11 angeordnet, wie am Besten aus den 1 und 3 ersichtlich ist.
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Die Wälzkörper 11 können einen Kern aus Eisen aufweisen, der in den Figuren nicht dargestellt ist. Auf diese Weise lässt sich die magnetische Flussdichte des Magnetfelds erhöhen.
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Bei dem in den 1-3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Antriebssystem 7 derart interpretiert werden, dass drei Leistungswellen vorliegen, nämlich der Rotor 23, der Hüllenkörper 3 und der Träger 13. Der Freiheitsgrad des Getriebes 9 weist somit einen Laufgrad F=2 je Achse 19a-19c auf. Um den Freiheitsgrad des Getriebes auf einen Laufgrad F=1 je Rotationsachse einzuschränken, kann der Träger 13 ein nicht dargestelltes verschiebbares Gewicht aufweisen, über das der Massenschwerpunkt 27 veränderbar ist. Dadurch kann der Träger 13 als festgelegte Welle dienen.
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Der Hüllenkörper 3 kann eine nicht dargestellte Ummantelung oder Schicht aus Eisen, Blei und/oder einem Mumetall aufweisen, worüber Magnetfelder und/oder Strahlung abgeschirmt werden können. Der Hüllenkörper 3 kann darüber hinaus hermetisch abgeschlossen sein, sodass das Antriebssystem 7 gegenüber anderen Einflüssen von außen geschützt ist.
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In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen sphärischen Roboters 1 im Schnitt gezeigt.
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Der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen sphärischen Roboters 1 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels der 1-3, wobei die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Funktion der einzelnen Teile entspricht ebenfalls der Funktion der in Bezug auf 1-3 beschriebenen Funktionen der Einzelteile, sodass auf eine erneute Beschreibung verzichtet wird.
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Der Unterschied zwischen dem in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel zu dem in den 1-3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen sphärischen Roboters 1 besteht darin, dass bei dem in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel anstelle von sechs Wälzkörpern 11 vier Wälzkörper 11 vorgesehen sind. Diese sind jeweils auf einer Achse angeordnet, sodass eine vierachsige Anordnung gebildet ist. Um jede Achse ist ein Stator in Form einer Spule 25 angeordnet. Auch bei dem in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen sphärischen Roboters 1 wird mittels der Spulen 25 ein Magnetfeld im Inneren des Trägers 13 erzeugt, der den aus einem Permanentmagneten bestehenden Rotor 23 antreibt, worüber die Wälzkörper 11 und somit der Hüllkörper 3 angetrieben wird.
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Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen sphärischen Roboters 1 weist der Rotor 23 einen geringeren Durchmesser auf als die Wälzkörper 11. Aufgrund des geringeren Durchmessers der Wälzkörper 11 gegenüber dem Hüllkörper 3 erfolgt somit eine Übersetzung, sodass in vorteilhafter Weise ein Antrieb des Hüllkörpers 3 mit einem hohen Drehmoment erfolgen kann.
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Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen des sphärischen Roboters 1 erfolgt eine reibschlüssige Übertragung der Antriebskraft. Grundsätzlich ist jedoch auch eine formschlüssige Übertragung denkbar, indem der Rotor 23 wie Wälzkörper 11 und der Hüllkörper 3 aneinander angepasste Oberflächen aufweisen.
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Mit dem erfindungsgemäßen sphärischen Roboter 1 ist ein Roboter, der eine holonome Fortbewegung ermöglicht, auf konstruktiv einfache Art und Weise verwirklichbar. Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen sphärischen Roboter 1 möglich, eine Rotation um jede beliebige Achse 19a-c in Raum durchzuführen und sodass auch eine Übersetzung um jede beliebige Achse 19a-c in Raum vorliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- sphärischer Roboter
- 3
- Hüllkörper
- 5
- äußere Lauffläche
- 7
- Antriebssystem
- 9
- Getriebe
- 11
- Wälzkörper
- 13
- Träger
- 15
- Wälzlager
- 17
- Innenfläche
- 19a-c
- Achsen
- 21
- Freiraum
- 23
- Rotor
- 25
- Spule
- 27
- Massenschwerpunkt
- F
- Laufgrad
