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Die Erfindung betrifft ein omnidirektionales Rad sowie ein Robotersystem mit einem omnidirektionalen Rad.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mobile robotische Plattformen auf Rädern in zwei Freiheitsgraden fortzubewegen.
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Informationen zu omnidirektionalen Rädern können beispielsweise den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
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US 9 809 056 B1 beschreibt ein omnidirektionales Rad mit einem Hauptrad, dass derart um eine Achse rotierbar ist, dass das omnidirektionale Rad entlang einer ersten Bewegungsachse verfährt, mehreren entlang des Umfangs des Hauptrades angeordneten Räderpaaren, die jeweils um ihre eigene Achse derart rotierbar sind, dass das omnidirektionale Rad entlang einer zweiten Bewegungsachse verfährt, die senkrecht zur ersten Bewegungsachse verläuft, wobei die Achsen der mehreren Räderpaare in eine Richtung verlaufen, die eine Komponente in radialer Richtung des Hauptrades aufweist, wobei die Achsen der Räder eines Räderpaares in Umfangsrichtung des Hauptrades relativ zueinander versetzt sind.
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Nachteilig an omnidirektionalen Rädern, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist, dass diese hohe Steigungen nicht überwinden können. Weiterhin gestaltet sich die Möglichkeit eines Verfahren entlang zwei Freiheitsgraden komplex.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein omnidirektionales Rad bereitzustellen, das die genannten Nachteile beseitigt. Auch soll ein entsprechendes Robotersystem bereitgestellt werden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein omnidirektionales Rad gemäß Anspruch 1 sowie ein Robotersystem gemäß den Ansprüchen 7 und 8.
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Das erfindungsgemäße omnidirektionale Rad weist ein Hauptrad auf, das derart um eine erste Achse rotierbar ist, dass das omnidirektionale Rad entlang einer ersten Bewegungsachse verfährt. Weiterhin weist das omnidirektionale Rad mehrere entlang des Umfangs des Hauptrades angeordnete Räderpaare auf, die jeweils um ihre eigene Achse derart rotierbar sind, dass das omnidirektionale Rad entlang einer zweiten Bewegungsachse verfährt, die in einem Winkel und insbesondere senkrecht zur ersten Bewegungsachse verläuft.
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Die Achsen der mehreren Räderpaare verlaufen in einer Richtung, die eine Komponente in radialer Richtung des Hauptrades aufweist. Vorzugsweise verlaufen die Achsen der mehreren Räderpaare in radialer Richtung des Hauptrades, so dass die Räder der Räderpaare tangential zum Hauptrad verlaufen.
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Erfindungsgemäß sind die Achsen der Räder eines Räderpaares in Umfangsrichtung des Hauptrades relativ zueinander versetzt. Hierdurch ist es möglich, dass das erste Rad eines Räderpaares auf seiner einen Seite in Kontakt mit einer ersten Fläche ist, während das zweite Rad dieses Räderpaares auf der gegenüberliegenden Seite in Kontakt mit einer zweiten Fläche ist. Die Räder eines Räderpaares drehen sich in unterschiedlicher Richtung, so dass das omnidirektionale Rad entlang der genannten Flächen verfährt und sich somit entlang der zweiten Bewegungsachse bewegt.
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Eine Bewegung entlang der ersten Bewegungsachse findet bevorzugt durch einen formschlüssigen Eingriff der Räderpaare in einen entsprechend ausgeformten Untergrund statt. Dieser kann beispielsweise als ein gezacktes oder gewelltes Basiselement ausgestaltet sein. Hierdurch ist es möglich, dass das omnidirektionale Rad in Richtung der ersten Bewegungsachse auch größere Steigungen überwindet.
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Es ist bevorzugt, dass die Achsen der Räderpaare im Wesentlichen in radialer Richtung des Hauptrades verlaufen.
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Weiterhin weist bevorzugt das omnidirektionale Rad ein Differenzialgetriebe zum Antreiben der beiden Räder eines Räderpaares in entgegengesetzter Richtung auf.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Achsen der beiden Räder eines Räderpaares in einem Winkel zueinander verlaufen und insbesondere in radialer Richtung des Hauptrades nach außen zusammenlaufen, derart, dass die zwei Räder eines Räderpaares zueinander hin gerichtet sind. In dieser Ausgestaltung kann das omnidirektionale Rad entlang der zweiten Bewegungsrichtung auch auf einer ebenen Fläche verfahren und benötigt keinen gewellten oder gezackten Untergrund.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Winkel der Achsen der beiden Räder eines Räderpaares zueinander einstellbar ist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Räder der Räderpaare eine gezackte oder gewellte Umfangsseite aufweisen, so dass bei einer Bewegung des omnidirektionalen Rades entlang der zweiten Bewegungsachse auch ein Formschluss mit einer korrespondierend hierzu ausgeformten geometrischen Struktur einer Oberfläche oder eines Basiselements erzeugbar ist. Hierdurch können auch entlang der zweiten Bewegungsrichtung größere Steigungen überwunden werden, als dies bei einem reinen Reibschluss möglich wäre.
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Das omnidirektionale Rad weist erfindungsgemäß ein großes Kegelzahnrad auf, das um die erste Achse rotierbar ist und das dabei mehrere kleine Kegelzahnräder antreibt, die entlang seines Umfangs angeordnet sind und mit ihm in Eingriff stehen. Jedes kleine Kegelzahnrad treibt jeweils eine Achse eines Rades der Räderpaare an.
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Erfindungsgemäß wird das erste Rad eines Räderpaares von einem kleinen Kegelzahnrad angetrieben, das auf der einen Seite des großen Kegelzahnrades angeordnet ist und das zweite Rad desselben Räderpaares kann von einem kleinen Kegelzahnrad angetrieben werden, das auf der anderen Seite des großen Kegelzahnrades angeordnet ist.
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Alternativ weist das omnidirektionale Rad zwei große Kegelzahnräder auf, die jeweils eine Gruppe von kleinen Kegelzahnrädern antreiben. Die erste Gruppe von kleinen Kegelzahnräder treibt das jeweils erste Rad eines Räderpaares an, während die zweite Gruppe von kleinen Kegelzahnrädern das jeweils zweite Rad eines Räderpaares antreibt. In dieser Alternative ist es auf einfache Weise möglich, den Abstand zwischen zwei kleinen Kegelzahnrädern und damit auch den Abstand zwischen den zwei Rädern eines Räderpaares in Umfangsrichtung des omnidirektionalen Rades größer oder kleiner zu wählen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Robotersystem mit einem oder mehreren omnidirektionalen Rädern, wie es in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, und weiterhin mit mindestens einem profilierten Basiselement, das eine gewellte oder gezackte Oberfläche zum Herstellen einer formschlüssigen Verbindung mit den Rädern der Räderpaare des omnidirektionalen Rades aufweist. Hierbei sind jeweils zwei Räder eines Räderpaares in einem Wellen- und/oder Zackental aufnehmbar. Durch ein Bewegen des omnidirektionalen Rades entlang der ersten Bewegungsachse ist das nächste Räderpaar in das nächste Wellen- und/oder Zackental einführbar.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Robotersystem, das mindestens zwei omnidirektionale Räder aufweist, die einander gegenüberliegend an jeweils einem Rand des Roboters angeordnet sind. Das Robotersystem weist ferner zwei einander gegenüberliegende profilierte Basiselemente auf, zwischen denen der Roboter derart angeordnet ist, dass jedes profilierte Basiselement formschlüssig mit jeweils einem omnidirektionalen Rad in Eingriff ist, derart, dass bei einer Rotation der beiden Haupträder der beiden omnidirektionalen Räder diese entlang der profilierten Basiselemente verfahren, so dass hierdurch der Roboter entlang der profilierten Basiselemente verfahren wird. Hierdurch ist es möglich, dass der Roboter große Lasten, beispielsweise auch gegen die Schwerkraft, bewegt.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen omnidirektionalen Rades,
- 2 eine perspektivische Ansicht derselben Ausführungsform,
- 3 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen omnidirektionalen Rades,
- 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen omnidirektionalen Rades,
- 5A - 5D verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen omnidirektionalen Rades,
- 6 eine Ansicht eines Robotersystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 7 eine Ansicht eines weiteren Robotersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 1 weist das omnidirektionale Rad 10 ein großes Hauptrad 12 auf, das derart um die erste Achse 14 rotierbar ist, dass das omnidirektionale Rad 10 entlang der ersten Bewegungsachse a verfährt. Hierbei entsteht ein Formschluss zwischen den Rädern 16a, 16b der sieben Räderpaare, die das Hauptrad 12 aufweist, und dem Basiselement 20, das ein Wellenprofil mit einer Vielzahl von Vorsprüngen 24 aufweist, die die Wellenberge bilden und dazwischenliegenden Räumen 22, die Wellentäler bilden. Entlang der ersten Bewegungsachse a kann das omnidirektionale Rad 10 somit große Steigungen entgegen der Schwerkraft überwinden oder auch große Lasten bewegen.
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Jedes Rad 16a, 16b eines Räderpaares ist um seine eigene Achse 18a, 18b rotierbar. Die Achsen 18a, 18b verlaufen in 1 in radialer Richtung r des Hauptrades 12.
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In einer alternativen Ausführungsform gemäß 3 verlaufen die Achsen 18a, 18b der Räder 16a, 16b eines Räderpaares nicht in radialer Richtung, obwohl sie eine Komponente aufweisen, die in radialer Richtung r des Hauptrades 12 verläuft. Stattdessen verlaufen die Achsen 18a, 18b in radialer Richtung r des Hauptrades 12 nach außen aufeinander zulaufend, so dass sie einen Winkel α zueinander bilden. Die Räder 16a, 16b des Räderpaares sind somit zueinander hin angewinkelt. In dieser Ausführungsform ist es möglich, dass das omnidirektionale Rad 10 entlang der zweiten Bewegungsachse b auf einer Ebene 21 verfährt, die kein Wellenprofil aufweist.
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In den 1 - 3 ist sichtbar, dass die Räder 16a, 16b eines Räderpaares in Umfangsrichtung u des Hautrades 12 voneinander beabstandet sind. Die Räder 16a, 16b eines Räderpaares drehen sich in entgegengesetzter Richtung. Durch ihren Abstand in Umfangsrichtung zueinander kann jedes Rad mit einem anderen Vorsprung 24 in Kontakt treten, so dass durch die Rotation der beiden Räder eines Räderpaares 16a, 16b in unterschiedliche Richtungen das omnidirektionale Rad 10 entlang der zweiten Bewegungsachse b bewegt wird.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung ist es bevorzugt, dass das Hauptrad 12 und zumindest ein Teil und bevorzugt alle Räder 16a, 16b der Räderpaare aktiv angetrieben sind.
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In 4 ist dargestellt, wie die beiden Räder 16a, 16b eines Räderpaares angetrieben werden können. Ihr Antrieb erfolgt durch jeweils ein kleines Kegelzahnrad 28a, 28b, das jeweils in Eingriff mit einem großen Kegelzahnrad 26a, 26b steht. Durch einen ersten Motor 32 kann über ein Zahnrad die Trommel 36 angetrieben werden. Die Räder 16a, 16b des Räderpaars können insbesondere über ein Wälzlager 38 mit der Trommel 36 verbunden sein. Über eine Rollenachse 42 kann jede Rolle 16a, 16b über einen Wälzlagerpaar 44 mit der zentralen Achse 14 verbunden sein. Durch eine Relativbewegung, die durch eine unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeit zwischen den großen Kegelzahnrädern 26a, 26b und der Trommel 36 hervorgerufen wird, werden die kleinen Kegelzahnräder 28a, 28b angetrieben. In dieser Ausführungsform können besonders gut Steigungen überwunden werden, da sich hierbei die Kraft der beiden Motoren addiert. Hierbei treibt der erste Motor 34 über die Achse 14 die beiden großen Kegelzahnräder 26a, 26b an. Der erste Motor 34 muss auch gedreht werden, um eine Bewegung des zweiten Motors 32 zu kompensieren, um so eine ungewollte Bewegung entlang der zweiten Bewegungsachse b zu vermeiden.
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In den 5A - 5D sind verschiedene Ansichten einer alternativen Ausführungsform dargestellt, die lediglich ein großes Kegelzahnrad 26 aufweist. Auf der einen Seite des großen Kegelzahnrades 26 ist eine erste Gruppe 28a von kleinen Kegelzahnrädern angeordnet, die jeweils die ersten Räder 16a der Räderpaare antreiben. Auf der anderen Seite des großen Kegelzahnrades 26 ist eine zweite Gruppe 28b von kleinen Kegelzahnrädern angeordnet, die jeweils das zweite Rad 16b der Räderpaare antreiben. Hierdurch wird eine Bewegung der Räder 16a, 16b in entgegengesetzter Richtung verursacht.
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In 6 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Robotersystems 30 dargestellt. Der Roboter 40 weist hierbei vier omnidirektionale Räder 10 auf, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind. Auf dem Basiselement 20, das ein gewelltes Oberflächenprofil aufweist, kann der Roboter 40 durch die formschlüssige Verbindung große Steigungen überwinden.
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Noch größere Kräfte, beispielsweise entgegen der Schwerkraftrichtung oder zum Transportieren großer Lasten, können in der Ausführungsform gemäß 7 überwunden werden. In dieser Ausführungsform weist das Robotersystem 30 einen Roboter 40 auf, der mindestens zwei und bevorzugt vier omnidirektionale Räder 10 gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, die einander gegenüberliegend an den beiden Rändern des Roboters angeordnet sind. Der Roboter gemäß 7 kann entsprechend dem Roboter aus 6 ausgestaltet sein, wobei er gemäß 7 zwischen zwei einander gegenüberliegenden profilierten Basiselementen 20 angeordnet ist, so dass jedes profilierte Basiselement formschlüssig mit jeweils einem omnidirektionalen Rad bzw. mit jeweils zwei omnidirektionalen Rädern in Eingriff ist, derart, dass bei einer Rotation der beiden Haupträder 12 bzw. der vier Haupträder 12 der omnidirektionalen Räder diese omnidirektionalen Räder und damit der Roboter 40 entlang der beiden profilierten Basiselemente 20 verfahren wird.
