DE102021126688A1

DE102021126688A1 - Vorrichtung zum automatisierten Senkrechtstarten, Senkrechtlanden und/oder Handhaben eines Luftfahrzeugs mithilfe eines Roboters, Luftfahrzeug und Endeffektor

Info

Publication number: DE102021126688A1
Application number: DE102021126688.2A
Authority: DE
Inventors: Fabian Benedikt; Matthias Hecht; Moritz Maier; Florian Seibel
Original assignee: Quantum Systems GmbH; Quantum-Systems GmbH
Current assignee: Quantum Systems GmbH; Quantum-Systems GmbH
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2041-10-15
Also published as: US20230121258A1; DE102021126688B4

Abstract

Vorrichtung (102) zum automatisierten Senkrechtstarten, Senkrechtlanden und/oder Handhaben eines Luftfahrzeugs mithilfe eines Roboters, die Vorrichtung (102) aufweisend ein erstes Verbindungsmodul (100) und ein zweites Verbindungsmodul (106), bei der das erste Verbindungsmodul (100) und das zweite Verbindungsmodul (106) jeweils einen in einer Fang- und/oder Freigabephase wirksamen Fang- und/oder Freigabeabschnitt und einen in einer Führungsphase wirksamen Führungsabschnitt aufweisen und das erste Verbindungsmodul (100) und das zweite Verbindungsmodul (106) in einer Halteposition verriegelbar sind, Luftfahrzeug, wobei das Luftfahrzeug mithilfe eines Roboters automatisiert senkrechtstartbar, senkrechtlandbar und/oder handhabbar ist, wobei das Luftfahrzeug ein erstes Verbindungsmodul (100) oder ein zweites Verbindungsmodul (106) einer derartigen Vorrichtung (102) aufweist, und Endeffektor für einen Roboter zum automatisierten Senkrechtstarten, Senkrechtlanden und/oder Handhaben eines Luftfahrzeugs, wobei der Endeffektor ein zweites Verbindungsmodul (106) oder ein erstes Verbindungsmodul (100) einer derartigen Vorrichtung (102) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum automatisierten Senkrechtstarten, Senkrechtlanden und/oder Handhaben eines Luftfahrzeugs mithilfe eines Roboters, die Vorrichtung aufweisend ein erstes Verbindungsmodul und ein zweites Verbindungsmodul. Außerdem betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, wobei das Luftfahrzeug mithilfe eines Roboters automatisiert senkrechtstartbar, senkrechtlandbar und/oder handhabbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung einen Endeffektor zum automatisierten Senkrechtstarten, Senkrechtlanden und/oder Handhaben eines Luftfahrzeugs.
Das Dokument WO 2013/171735 A1 betrifft punktförmige Start- und Landesysteme für ein unbemanntes Flugobjekt. In einer Ausführungsform wird das Flugobjekt entlang einer Flugbahn geführt und nähert sich einem Landekörper, sodass ein Verriegelungselement, das mit einem am Flugkörper aufgehängten Aufhängungskabel gekoppelt ist, mit einer Empfangsverriegelung verriegelt, die mit einem verlängerbaren einziehbaren Träger gekoppelt ist, der horizontal von einer Seitenfläche des Landekörpers absteht. Ein Mechanismus zum Lösen/Einziehen des Kabels greift in das Aufhängungskabel ein und lässt es dann los bzw. zieht es ein. Die Stange wird so bewegt, dass das Flugobjekt auf eine Landefläche gezogen wird. In einer anderen Ausführungsform wird das Flugobjekt entlang einer Flugbahn geführt und nähert sich einem Landekörper, sodass ein Verriegelungselement, das mit einem am Flugkörper aufgehängten Aufhängungskabel gekoppelt ist, mit einem Aufnahmeseil verriegelt, das von senkrecht von der Oberseite des Landekörpers vorstehenden Kabelträgern getragen wird. Ein Mechanismus zum Lösen/Rückziehen des Kabels gibt das Aufhängungskabel frei bzw. zieht es ein, wodurch das Flugobjekt auf die Landefläche gezogen wird.
Das Dokument WO 2021/010869 A1 betrifft die Konstruktion einer Landeplattform für ein senkrecht startendes und landendes unbemanntes Luftfahrzeug (nachfolgend UAV) und kann bei der Entwicklung von automatischen UAV-Lade- und Wartungsstationen eingesetzt werden. Eine senkrecht startende und landende UAV-Landeplattform umfasst eine Landefläche, elektrische Kontakte und eine UAV-Positionierungsvorrichtung. Die Positionierungsvorrichtung besteht aus Irisblenden, die mit einem Öffnungs-/Schließantrieb verbunden sind. Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht die Positionierungsvorrichtung aus Irisblenden, die mit einem Öffnungs-/Schließantrieb verbunden sind, und Trichtern, wobei die Gesamtzahl der Irisblenden und Trichter nicht größer ist als die maximale Anzahl der UAV-Stützen.
Das Dokument US 2006/0249623 A1 bezieht sich auf eine Plattform zum Starten und/oder Einfangen eines unbemannten Luftfahrzeugs (UAV), insbesondere eines kleinen UAV. Die Start-/Einfangplattform umfasst einen Rahmen, einen an dem Rahmen befestigten Boden, der in der Lage ist, das UAV zu tragen, Mittel zum Erfassen und Verfolgen des UAV im Flug, ein Verbindungsstück und eine Verbindungsstücksteuerung, die die Plattform mit einer externen Trägerstruktur verbindet, eine steuerbare, adaptive Bewegung der Plattform als Reaktion auf die sich nähernde UAV-Position und -Lage bereitstellt, Mittel zum Starten des UAV von der Plattform und zum Einfangen eines UAV im Flug auf der Plattform und Mittel zum Verriegeln des UAV zwischen dem Einfangen und dem Start des UAV. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Einfangen einer kleinen, im Flug befindlichen UAV gerichtet ist, umfasst das Bereitstellen einer UAV-Einfangplattform, das Bereitstellen eines UAV-Einfangmittels als integrierte Komponente der Plattform, das Bereitstellen von Mitteln zum Bestimmen der relativen Position eines Eingriffsabschnitts des Einfangmittels in Bezug auf eine sich nähernde, im Flug befindliche UAV in Echtzeit, das Bereitstellen von Mitteln zum automatischen Manövrieren des Eingriffsabschnitts des Einfangmittels in Bezug auf mindestens eine Position und eine Lage der sich nähernden, im Flug befindlichen UAV, das Einfangen der UAV und Sichern der gefangenen UAV an der Einfangplattform.
Das Dokument US 2019/0126478 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein System zum Starten und/oder Einfangen eines unbemannten Luftfahrzeugs (UAV). Die Vorrichtung umfasst ein bewegliches Substrat mit einem elektromagnetischen Endeffektor und ein UAV mit einer metallischen Schlagplatte, die von dem Endeffektor angezogen wird, wenn der Elektromagnet al<tiviert wird. Das System umfasst einen beweglichen Roboterarm mit einem freien Ende und einem gesicherten Ende; einen elektromagnetischen Endeffektor, der in der Nähe des freien Endes des Roboterarms angeschlossen ist; ein UAV mit einer metallischen Anschlagplatte, die von dem elektromagnetischen Endeffektor angezogen und gehalten wird, wenn der elektromagnetische Endeffektor aktiv ist; eine Flugbahnsoftware, die so konfiguriert ist, dass sie eine Position des freien Endes des Roboterarms steuert; und ein Steuermodul zum Empfangen von Eingabedaten, zum Analysieren der Daten und zum Verwenden der Flugbahnsoftware, um die Position des elektromagnetischen Endeffektors zu steuern und diesen zu aktivieren oder zu deaktivieren. Außerdem werden Verfahren zum Starten und Einfangen des UAV beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Luftfahrzeug strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Endeffektor strukturell und/oder funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Endeffektor mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Vorrichtung kann dazu ausgelegt sein, ein Luftfahrzeug selbsttätige, selbstständig, und/oder autonom senkrecht zu starten, senkrecht zu landen und/oder zu handhaben. Die Vorrichtung kann dazu ausgelegt sein, ein Luftfahrzeug ganz oder teilweise ohne Mitwirkung eines menschlichen Benutzers senkrecht zu starten, senkrecht zu landen und/oder zu handhaben. Senkrechtstarten und/oder Senkrechtlanden bezeichnet vorliegend insbesondere ein Starten und/oder Landen ohne Start- und/oder Landebahn. Beim Handhaben kann die räumliche Lage und Orientierung des Luftfahrzeugs verändert werden, beispielswiese kann das Luftfahrzeug gedrehen oder gewendet werden, wobei das Luftfahrzeug auch überkopf gehalten werden kann.
Die Vorrichtung, das erste Verbindungsmodul und/oder das zweite Verbindungsmodul können/kann eine Längsachse aufweisen. Die Vorrichtung kann zum Senkrechtstarten und/oder Senkrechtlanden zumindest annähernd in Erstreckungsrichtung der Längsachse ausgelegt sein. Soweit nicht anders angegeben oder es sich aus dem Zusammenhang nicht anders ergibt, beziehen sich die Angaben „axial“, „radial“ und „in Umfangsrichtung“ auf eine Erstreckungsrichtung der Längsachse. „Axial“ entspricht dann einer Erstreckungsrichtung der Längsachse. „Radial“ ist dann eine zur Erstreckungsrichtung der Längsachse senkrechte und sich mit der Längsachse schneidende Richtung. „In Umfangsrichtung“ entspricht dann einer Kreisbogenrichtung um die Längsachse. Die Vorrichtung, das erste Verbindungsmodul und/oder das zweite Verbindungsmodul können/kann zumindest annähernd rotationssymmetrisch zur Längsachse ausgeführt sein.
Das erste Verbindungsmodul und das zweite Verbindungsmodul können zur gegenseitigen Verbindung ausgelegt sein. Das erste Verbindungsmodul und das zweite Verbindungsmodul können eine Verbindungseinrichtung bilden. Die Fang- und/oder Freigabeabschnitte können dazu ausgelegt sein, beim Starten in der Freigabephase ein Abheben des Luftfahrzeugs und/oder beim Landen in der Fangphase ein Aufsetzen des Luftfahrzeugs zu unterstützen und/oder zu ermöglichen. Die Führungsabschnitte können dazu ausgelegt sein, das Luftfahrzeug beim Starten vor der Freigabephase und/oder beim Landen nach der Fangphase linear zu führen. Das erste Verbindungsmodul und das zweite Verbindungsmodul können beim Starten vor der Führungsphase und/oder beim Landen nach der Führungsphase in die Halteposition bringbar sein. In der Halteposition können das erste Verbindungsmodul und das zweite Verbindungsmodul miteinander mechanisch kraft- und/oder formschlüssig definiert verbunden sein. In der Halteposition können das erste Verbindungsmodul und das zweite Verbindungsmodul miteinander im dreidimensionalen Raum verriegelbar sein. In der Halteposition können das erste Verbindungsmodul und das zweite Verbindungsmodul miteinander in allen sechs Freiheitsgraden verriegelbar sein.
Das erste Verbindungsmodul kann einen Innenkonusabschnitt aufweisen. Das erste Verbindungsmodul kann in axialer Richtung eine Öffnungsseite und eine Innenseite aufweisen. Der Innenkonusabschnitt kann an dem ersten Verbindungsmodul öffnungsseitig angeordnet sein. Der Innenkonusabschnitt kann trichterförmig ausgeführt sein. Der Innenkonusabschnitt kann kegelstumpfförmig ausgeführt sein. Der Innenkonusabschnitt kann öffnungsseitig eine große Öffnung und innenseitig eine kleine Öffnung aufweisen. Der Innenkonusabschnitt kann einen sich von der Öffnungsseite zur Innenseite hin verringernden Öffnungsquerschnitt aufweisen. Der Innenkonusabschnitt kann Abschnitte mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln aufweisen. Der Innenkonusabschnitt kann öffnungsseitig einen Abschnitt mit kleinerem Öffnungswinkel und innenseitig einen Abschnitt mit größerem Öffnungswinkel aufweisen. Der Innenkonusabschnitt kann wenigstens einen Öffnungswinkel von ca. 30° bis ca. 130°, insbesondere von ca. 45° bis ca. 130°, insbesondere von ca. 50° bis ca. 130°, insbesondere von ca. 70°, aufweisen. Der Innenkonusabschnitt kann als Fang- und/oder Freigabeabschnitt wirksam sein.
Das erste Verbindungsmodul kann einen Hohlzylinderabschnitt aufweisen. Der Hohlzylinderabschnitt kann an dem ersten Verbindungsmodul innenseitig angeordnet sein. Der Hohlzylinderabschnitt kann einen der kleinen Öffnung des Innenkonusabschnitts zumindest annähernd entsprechenden Öffnungsquerschnitt aufweisen. Der Hohlzylinderabschnitt kann einen in axialer Richtung konstanten Öffnungsquerschnitt aufweisen. Der Hohlzylinderabschnitt kann innenseitig einen Boden aufweisen. Der Hohlzylinderabschnitt kann als Führungsabschnitt wirksam sein. Der Hohlzylinderabschnitt kann zum linearen Führen ausgelegt sein. Der Hohlzylinderabschnitt kann zum Führen in axialer Richtung ausgelegt sein.
Das zweite Verbindungsmodul kann einen Bolzenabschnitt aufweisen. Das zweite Verbindungsmodul kann in axialer Richtung ein distales Ende und proximales Ende aufweisen. Der Bolzenabschnitt kann an dem distalen Ende des zweiten Verbindungsmoduls angeordnet sein. Der Bolzenabschnitt des zweiten Verbindungsmoduls und der Hohlzylinderabschnitt des ersten Verbindungsmoduls können miteinander korrespondieren. Der Bolzenabschnitt des zweiten Verbindungsmoduls und der Hohlzylinderabschnitt des ersten Verbindungsmoduls können miteinander geometrisch komplementär korrespondieren. Der Bolzenabschnitt kann eine dem Öffnungsquerschnitt des Hohlzylinderabschnitts des ersten Verbindungsmoduls zumindest annähernd entsprechenden Querschnitt aufweisen. Der Bolzenabschnitt kann einen in axialer Richtung konstanten Öffnungsquerschnitt aufweisen. Der Bolzenabschnitt kann distal endseitig eine Fase aufweisen. Der Bolzenabschnitt kann als Fang- oder Freigabeabschnitt und als Führungsabschnitt wirksam sein. Der Bolzenabschnitt kann sowohl als Fang- oder Freigabeabschnitt als auch als Führungsabschnitt wirksam sein.
Das zweite Verbindungsmodul kann einen Außenkonusabschnitt aufweisen. Der Außenkonusabschnitt des zweiten Verbindungsmoduls und der Innenkonusabschnitt des ersten Verbindungsmoduls können miteinander korrespondieren. Der Außenkonusabschnitt des zweiten Verbindungsmoduls und der Innenkonusabschnitt des ersten Verbindungsmoduls können miteinander geometrisch komplementär korrespondieren.
Das erste Verbindungsmodul kann eine Verzahnung aufweisen. Das zweite Verbindungsmodul kann eine Verzahnung aufweisen. Die Verzahnung des ersten Verbindungsmoduls und die Verzahnung des zweiten Verbindungsmoduls können miteinander korrespondieren. Die Verzahnung des ersten Verbindungsmoduls und die Verzahnung des zweiten Verbindungsmoduls können miteinander geometrisch komplementär korrespondieren. Die Verzahnung des ersten Verbindungsmoduls und die Verzahnung des zweiten Verbindungsmoduls können in der Halteposition wirksam sein. Die Verzahnung des ersten Verbindungsmoduls und die Verzahnung des zweiten Verbindungsmoduls können in der Führungsphase zum Ausrichten insbesondere in Umfangsrichtung wirksam sein. Die Verzahnung des ersten Verbindungsmoduls und die Verzahnung des zweiten Verbindungsmoduls können in der Halteposition zum definierten Halten insbesondere in Umfangsrichtung wirksam sein. Die Verzahnung des ersten Verbindungsmoduls und die Verzahnung des zweiten Verbindungsmoduls können in axialer Richtung in Eingriff und/oder außer Eingriff bringbar sein. Die Verzahnung des ersten Verbindungsmoduls und/oder die Verzahnung des zweiten Verbindungsmoduls können/kann für ein vereinfachtes Einführen ausgelegt sein. Die Verzahnung des ersten Verbindungsmoduls und/oder die Verzahnung des zweiten Verbindungsmoduls können/kann Einführgeometrien aufweisen. Die Einführgeometrien können keilförmig ausgeführt sein. Die Einführgeometrien können bei einem in Eingriff bringen und/oder bei einem außer Eingriff bringen wirksam sein.
Die Verzahnungen können zwischen dem Innenkonusabschnitt und dem Außenkonusabschnitt wirksam sein. Die Verzahnung des ersten Verbindungsmoduls kann an dem Innenkonusabschnitt angeordnet sein. Die Verzahnung des zweiten Verbindungsmoduls kann an dem Außenkonusabschnitt angeordnet sein. Die Verzahnungen können rauten-, diamant-, kreis- oder ellipsenförmig ausgeführt sein. Die Verzahnungen können in Umfangsrichtung umlaufend angeordnet sein. Die Verzahnungen können in axialer Richtung fügbar und/oder lösbar sein.
Die Vorrichtung kann eine Sperr- und/oder Freigabevorrichtung aufweisen. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann zwischen dem ersten Verbindungsmodul und dem zweiten Verbindungsmodul wirksam sein. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann zwischen einer Sperrstellung und einer Freigabestellung schaltbar sein. Die Sperrstellung kann eine Vorzugsstellung sein. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann passiv oder unbetätigt sperrend sein. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann aktiv oder betätigt freigebend sein. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann in Richtung der Sperrstellung federkraftbeaufschlagt sein. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann einen Aktuator aufweisen. Der Aktuator kann dazu ausgelegt sein, die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung in Richtung der Freigabestellung zu beaufschlagen. Der Aktuator kann dazu ausgelegt sein, die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung entgegen einer Federkraft zu beaufschlagen. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann wenigstens ein Hebelelement aufweisen. Das wenigstens eine Hebelelement kann federkraftbeaufschlagt und/oder aktuatorbetätigbar sein. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann ein Getriebe aufweisen. Das Getriebe kann zwischen dem Aktuator und dem wenigstens einen Hebelelement angeordnet sein. Das Getriebe kann zur Kraft- und/oder Bewegungswandlung ausgelegt sein. Das Getriebe kann wenigstens ein weiteres Hebelelement aufweisen. Das Getriebe kann wenigstens eine Stößelstange aufweisen. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann ferngesteuert, automatisiert und/oder manuell schaltbar sein.
Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung kann wenigstens einen Hinterschnittabschnitt aufweisen. Der wenigstens eine Hinterschnittabschnitt und das wenigstens eine Hebelelement können dazu ausgelegt sein, zusammenzuwirken. Das wenigstens eine Hebelelement kann an dem zweiten Verbindungsmodul angeordnet sein. Das wenigstens eine Hebelelement kann an dem Bolzenabschnitt des zweiten Verbindungsmoduls angeordnet sein. Der wenigstens eine Hinterschnittabschnitt kann an dem ersten Verbindungsmodul angeordnet sein. Der wenigstens eine Hinterschnittabschnitt kann an dem Zylinderabschnitt des ersten Verbindungsmoduls angeordnet sein.
Die Vorrichtung kann wenigstens eine Signal- und/oder Leistungsschnittstelle aufweisen. Die Vorrichtung kann wenigstens eine elektrische Signal- und/oder Leistungsschnittstelle aufweisen. Die wenigstens eine Signal- und/oder Leistungsschnittstelle kann zwischen dem ersten Verbindungsmodul und dem zweiten Verbindungsmodul wirksam sein. Die wenigstens eine Signal- und/oder Leistungsschnittstelle kann kabelgebunden oder kabellos sein. Die wenigstens eine Signal- und/oder Leistungsschnittstelle kann eine Antenne aufweisen. Die wenigstens eine Signal- und/oder Leistungsschnittstelle kann unidirektional oder bidirektional sein.
Die Vorrichtung kann wenigstens einen Sensor oder Schalter aufweisen. Der wenigstens eine Sensor oder Schalter kann zwischen dem ersten Verbindungsmodul und dem zweiten Verbindungsmodul wirksam sein. Der wenigstens eine Sensor kann ein optischer Sensor, insbesondere eine Kamera, wie RGB-Kamera, sein. Der wenigstens eine Schalter kann ein elektrischer Schalter sein. Die Vorrichtung kann wenigstens ein Signalausgabeelement, insbesondere wenigstens ein optisches Signalausgabeelement, wie Leuchtdiode (LED), aufweisen. Die Vorrichtung kann eine Heizeinrichtung aufweisen. Das erste Verbindungsmodul und/oder das zweite Verbindungsmodul können/kann ein Gehäuse aufweisen. Das Gehäuse kann wasserdicht sein. Das zweite Verbindungsmodul kann eine Landeplattform für ein Luftfahrzeug aufweisen.
Das erste Verbindungsmodul kann an einem Luftfahrzeug angeordnet sein. Das erste Verbindungsmodul kann an einem Rumpf eines Luftfahrzeugs angeordnet sein. Das erste Verbindungsmodul kann zumindest annähernd an einem Schwerpunkt eines Luftfahrzeugs oder schwerpunktnah angeordnet sein. Das erste Verbindungsmodul kann strukturell in ein Luftfahrzeug integriert sein. Das erste Verbindungsmodul kann ein passives Modul sein. Das zweite Verbindungsmodul kann als Endeffektor ausgeführt sein. Das zweite Verbindungsmodul kann als Endeffektor für einen Roboter ausgeführt sein. Das zweite Verbindungsmodul kann einen Anschlussflansch zum Verbinden mit einem Roboter aufweisen. Das zweite Verbindungsmodul kann einen elektrische Kontrolleinrichtung aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann wenigstens einen Prozessor, wenigstens einen Arbeitsspeicher, wenigstens einen Datenspeicher, wenigstens einen Signaleingang und/oder wenigstens einen Signalausgang aufweisen. Das zweit Verbindungsmodul kann ein aktives Modul sein. Das erste Verbindungsmodul und das zweite Verbindungsmodul können vertauscht angeordnet sein. Das erste Verbindungsmodul kann als Endeffektor ausgeführt sein. Das zweite Verbindungsmodul kann an einem Luftfahrzeug angeordnet sein.
Das Luftfahrzeug kann VTOL (Vertical Take-Off and Landing)-, STOL (Short Take-Off and Landing)-, STOVL (Short Take-Off and Vertical Landing)-, VSTOL (Vertical/Short Take-Off and Landing)- und/oder VTHL (Vertical Tal<e-Off, Horizontal Landing)-Fähigkeiten aufweisen. Das Luftfahrzeug kann ein Wandelflugzeug sein. Das Luftfahrzeug kann ein Flugzeug, ein Drehflügler, ein Hubschrauber, ein Flugschrauber, eine Drohne oder eine Rakete sein. Das Luftfahrzeug kann bemannt oder unbemannt sein.
Der Endeffektor kann als letztes Element einer kinematischen Kette des Roboters ausgelegt sein. Der Roboter kann mehrere Glieder aufweisen. Der Roboter kann mehrere Gelenke aufweisen. Der Roboter kann den Gliedern und/oder den Gelenken zugeordnete Antriebe aufweisen. Die Glieder können mithilfe der Gelenke miteinander verbunden sein. Die Glieder und Gelenke können die kinematische Kette bilden. Der Roboter kann eine elektrische Kontrolleinrichtung aufweisen. Der Roboter kann ein Bewegungsautomat sein. Der Roboter kann programmierbar sein. Der Roboter kann mehrere, insbesondere mindestens drei, insbesondere sechs, frei bewegliche Achsen aufweisen.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine robotische Greifvorrichtung zur Handhabung und vollständigen Automatisierung von Starts und Landungen von senkrechtstartenden unbemannten Flugsystemen.
Die Greifvorrichtung kann endeffektorseitig, das heißt an einem Werkzeugflansch eines Roboterarms, einen Kegelstumpf mit einem Öffnungswinkel von 70° bzw. 50°-130°, aufweisen, welcher an der sich verjüngenden Oberseite einen angefassten Zylinder bzw. Dorn aufweisen kann. Der Kegelstumpf bzw. die Verdickung nach dem angefasten Zylinder kann auch kreisförmig oder in anderen Formen ausgeführt sein, da ein erstes Abgleiten durch den Zylinder geschieht und die nachfolgende Form am Dorn zu einem zusätzlichen Formschluss zur Kraftübertragung führt. Die Formauswahl der Verdickung und des Übergangs zwischen Zylinder und eben solcher kann anwendungsspezifisch bestimmt werden.
In dem Zylinder können ein oder mehrere klappbare Widerhaken eingebaut sein, welche durch eine Schraubenfeder ausgerückt werden können. Der Aufbau kann somit dominant verriegelt sein. Die Verriegelung kann auch mittels ausfahrbaren Bolzen oder Zähnen im Kegelstumpf ermöglicht sein. Die Zähne und der Dorn können angefast sein, um ein präzises und verkantungsfreies Einrücken des Dorns in den Trichter zu gewährleisten. Je nach Anforderung kann auch eine Verriegelung im Trichter vorgesehen sein, beispielsweise oberhalb der Einführspitze oder im Kegelmantel, wobei eine werkzeugseitige Verriegelung und ein fluggerätseitiger passiver Adapter günstig sind, um ein Gewicht des Fluggeräts gering zu halten.
Fluggerätseitig kann ein Kegelstumpfmantel mit einem umlaufenden Muster aus axialen Nuten in den Rumpf des Fluggeräts integriert sein. Der Form der axialen Nuten können verschiedene Formen z.B. Dreiecke, Kreise, Polygone oder Mischformen aus z.B. Trapez und Dreieck zugrunde gelegt sein. Der Kegelstumpfmantel kann beispielsweise einen Öffnungswinkel von 70° bzw. 50-110° aufweisen und aufgrund seiner Form auch als Trichter bezeichnet werden.
An der Spitze des Dorns oder an den Kegelflächen oder den Zähnen kann zusätzlich ein taktiler Sensor, Drucksensor oder Schalter installiert sein, der wenn ausgelöst eine Erkennung einer vollendeten Landung ermöglicht.
Zur optimalen Handhabung des Fluggeräts durch den Roboter, das heißt zur Verringerung einer Last am Roboter, kann der Trichter möglichst im Schwerpunkt des Fluggeräts montiert sein. Alternative kann die Anordnung von Trichter und Dorn auch vertauscht werden, dementsprechend könnte ebenfalls ein Trichter endeffel<torseitig und ein Dorn fluggeräteseitig platziert werden.
Der Trichter kann mit der gleichen oder einer zum Trichter passenden Zahnform bestückt sein, um eine Arretierung des Fluggeräts um seine Gier-Achse zu gewährleisten. Es können Nuten und Federn vorgesehen sein, die sich in Richtung des Zylinders am oberen Ende des Dorns verjüngen können. Eine Verjüngung der Zähne in Richtung Kegelstumpf- und Kegelstumpfmantel-Basis kann eine Dauerfestigkeit erhöhen. Außerdem kann diese Verjüngung beim Ausführen des Dorns aus dem Trichter die Gefahr eines Verhakens bei zusätzlich eingebrachten Löchern oder Vertiefungen in den Kegelstumpfmantelflächen reduzieren.
Der Greifmechanismus kann mindestens einen zylindrischen Dorn und mindestens einen Kegelstumpf mit radialer Verzahnung aufweisen, die gepaart mit den radialen Nuten im Zylinder eine formschlüssige Verbindung ergibt. Diese kann selbstzentrierend sein und alle sechs Freiheitsgrade des Fluggeräts einschränken. Die Anzahl der Zähne bzw. Teilung kann derart gewählt werden, dass auch bei höheren Relativgeschwindigkeiten von beispielsweise 0,2 bis 2,0 m/s zwischen Dorn und Trichter, der Trichter präzise auf den Dorn aufsetzt und sich durch die Zähne arretiert. Dafür kann ein Winkelabstand zwischen Zahn und Nut bzw. Zahnmulden begrenzt sein.
Der Greifmechanismus ermöglicht eine definierte Verriegelung aller sechs Freiheitsgrade, sodass das Fluggerät mit dem Roboterarm in alle Raumrichtungen bewegt und gedreht werden kann. Zudem wird ein definierter Kontakt zur Daten- oder Stromübertragung gewährleistet.
Der Greifmechanismus zeichnet sich insbesondere durch folgende Merkmale aus:

formschlüssig, selbstzentrierend, selbstverriegelnd; fehlerverzeihend gegenüber Positionsabweichungen (bis Trichterradius) aufgrund der Paarung Dorn und Trichter; hohe Wiederholgenauigkeit; verriegelt stromlos, Spannung wird nur zum Öffnen benötigt; schränkt alle sechs Freiheitsgrade des Fluggeräts ein; beheizbar, beispielsweise um Eisfreiheit und Funktion bei allen Witterungsbedingungen zu ermöglichen; witterungsbeständig gegenüber Wind, Temperaturschwankungen, Nässe, Schmutz, Licht; fluggerätseitiger Trichter passiv und in Leichtbau-Ausführung zur Gewichtsreduktion; ferngesteuert, automatisiert und manuell zu öffnen und zu schließen; bidirektionale drahtlose Datenübertragung; bidirektionale kontaktgebundene Datenübertragung vom und Stromübertragung zum Fluggerät.

Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung zum automatisierten Senkrechtstarten, Senkrechtlanden und/oder Handhaben eines Luftfahrzeugs mithilfe eines Roboters bereitgestellt, die einen einfachen Aufbau aufweist und die einfach und schnell hergestellt und montiert werden kann.
Die Vorrichtung kann in den Bereichen Landwirtschaft, Bahn, Baufirmen, Tagebau, Sicherheitsfirmen oder Einsätze der Feuerwehr, Polizei und/oder Bundeswehr, für Luftbildaufnahmen, Gelände-Überwachung aus der Luft, Inspektion aus der Luft, für vollständig automatisierte Befliegungen als Service zu einem gewünschten Zeitpunkt, sodass eine Kunde kein eigenes Fluggerät besitzen muss und am Ende in einer Cloud ausgewertete Flugdaten als Endprodukt erhält, für einen schnellen und unbemannten Warentransport und/oder von anderen Herstellern und Betreibern von unbemannten Fluggeräten durch Etablierung eines Standard-Interfaces für automatisierte Starts und Landungen mithilfe eines Roboterarms verwendet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 ein erstes Verbindungsmodul einer Vorrichtung zum automatisierten Starten, Landen und/oder Handhaben eines senkrechtstartenden und -landenden Luftfahrzeugs mithilfe eines Roboters,
2 ein zweites Verbindungsmodul einer Vorrichtung zum automatisierten Starten, Landen und/oder Handhaben eines senkrechtstartenden und -landenden Luftfahrzeugs mithilfe eines Roboters und
3 eine Vorrichtung zum automatisierten Starten, Landen und/oder Handhaben eines senkrechtstartenden und -landenden Luftfahrzeugs mit einem ersten Verbindungsmodul und einem zweiten Verbindungsmodul in Schnittansicht.

1 zeigt ein erstes Verbindungsmodul 100 einer Vorrichtung 102 zum automatisierten Starten, Landen und/oder Handhaben eines senkrechtstartenden und -landenden Luftfahrzeugs 104, das ausschnittsweise in 1 gezeigt ist, mithilfe eines Roboters. 2 zeigt ein zweites Verbindungsmodul 106 der Vorrichtung 102. 3 zeigt die Vorrichtung 102 in einer Halteposition, in der das erste Verbindungsmodul 100 und das zweite Verbindungsmodul 106 miteinander verbunden sind, in Schnittansicht. Die Vorrichtung 102 weist eine Längsachse 108 auf und dient dazu, das Luftfahrzeug 104 mithilfe eines Roboters zu starten, zu landen und/oder zu handhaben.
Das erste Verbindungsmodul 100 ist an einem Rumpf des Luftfahrzeugs 104 angeordnet. Das Luftfahrzeug 104 weist ein Landegestell 110 für konventionelle Landungen, insbesondere auch Notlandungen, auf. Das Luftfahrzeug 104 weist eine Nutzlast 112, beispielsweise eine Kamera, wie RGB-Kamera, Multispektralkamera, Wärmebildkamera, oder eine Messeinrichtung, beispielsweise unter Verwendung von LIDAR, auf. Das Luftfahrzeug 104 weist eine Fläche 114 für optische Marker, wie ARUCO, AprilTags oder ähnliche, zur exakten, relativen Positionsbestimmung, insbesondere durch eine Kamera am zweiten Verbindungsmodul 106, auf. Das Luftfahrzeug 104 weist einen Lufteinlass 116 und einen Luftauslass 118 zur Kühlung elektronischer Bauteile auf. Das Luftfahrzeug 104 weist eine aerodynamisch geformte Abdeckung 120 auf.
Das erste Verbindungsmodul 100 weist öffnungsseitig einen als Fang- und/oder Freigabeabschnitt wirksamen trichterförmigen Innenkonusabschnitt 122 mit einem Öffnungswinkel von ca. 70° und innenseitig einen als Führungsabschnitt wirksamen Hohlzylinderabschnitt 124 mit einem in axialer Richtung konstanten Öffnungsquerschnitt auf.
Das zweite Verbindungsmodul 106 ist als Endeffektor 126 für einen Roboter ausgeführt. Das zweite Verbindungsmodul 106 bzw. der Endeffektor 126 weist ein Gehäuse 128 auf. Das Gehäuse 128 ist wasserdicht ausgeführt. In dem Gehäuse 128 sind unter anderem elektronische Komponenten für GPS, RTK, Telemetrie Radio, Spannungswandler und/oder Servosteuerung angeordnet. Das zweite Verbindungsmodul 106 bzw. der Endeffektor 126 weist eine Antenne 130, insbesondere eine GPS-Antenne, auf. Das zweite Verbindungsmodul 106 bzw. der Endeffektor 126 weist einen als Kamera ausgeführten Sensor 132, wie RGB-Kamera, auf. Das zweite Verbindungsmodul 106 bzw. der Endeffektor 126 weist eine optische Statusanzeige 134 auf, die vorliegend als LED-Ring ausgeführt ist und dazu dient, den Status einer Sperr- und/oder Freigabevorrichtung anzuzeigen. Der Endeffektor 126 weist eine elektrische Signal- und/oder Leistungsschnittstelle 136 auf, die die vorliegend als mehrpolige Kontaktfläche zur Strom- und/oder Datenübertragung ausgeführt ist.
Das zweite Verbindungsmodul 102 weist an seinem distalen Ende einen sowohl als Fang- oder Freigabeabschnitt als auch als Führungsabschnitt wirksamen Bolzenabschnitt 138 und an seinem proximalen Ende einen Außenkonusabschnitt 140 auf. Der Hohlzylinderabschnitt 124 des ersten Verbindungsmoduls 100 und der Bolzenabschnitt 138 des zweiten Verbindungsmoduls 106 korrespondieren miteinander geometrisch komplementär. Der Innenkonusabschnitt 122 des ersten Verbindungsmoduls 100 und der Außenkonusabschnitt 140 des zweiten Verbindungsmoduls 106 korrespondieren miteinander geometrisch komplementär.
Der Innenkonusabschnitt 122 des ersten Verbindungsmoduls 100 und der Außenkonusabschnitt 140 des zweiten Verbindungsmoduls 106 weisen miteinander geometrisch komplementär korrespondiere Verzahnungen 142, 144 auf. Die Verzahnungen 142, 144 weisen jeweils in axialer Richtung wirksame keilförmig ausgeführte Einführgeometrien auf.
Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung ist zwischen dem ersten Verbindungsmodul 100 und dem zweiten Verbindungsmodul 106 wirksam und zwischen einer Sperrstellung und einer Freigabestellung schaltbar. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung weist an dem ersten Verbindungsmodul 106 einen in Umfangsrichtung umlaufenden und in axialer Richtung wirksamen Hinterschnittabschnitt 145 auf. Die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung weist an dem zweiten Verbindungsmodul 106 zwei Hebelelemente 146, 148, mit Gabelgelenken, wie 150, Stangen, wie 152, Führungen, wie 154, Druckfedern, wie 156, und als Servomotor ausgeführte Aktuatoren, wie 158, auf. Die Hebelelemente 146, 148 sind jeweils um ein Schwenklager, wie 160, verschwenkbar. Die Stangen 152 sind jeweils mithilfe der Gabelgelenke 150 mit einem Hebelelement 146, 148 gelenkig verbunden und mithilfe der Führungen 154 axial verlagerbar geführt. Mithilfe der Druckfedern 156 sind die Stangen 152 in Richtung der Sperrstellung beaufschlagt. Mithilfe der Aktuatoren 158 sind die Stangen 152 entgegen einer Kraft der Druckfedern 156 in Richtung der Freigabestellung beaufschlagbar. In der Sperrstellung sind die Stangen 154 bezogen auf 3 nach unten verlagert, die Hebelelemente 146, 148 sind eingeschwenkt und von dem Hinterschnittabschnitt 145 entfernt. In 3 ist das Hebelelemente 146 in der Sperrstellung gezeigt. In der Freigabestellung sind die Stangen 154 bezogen auf 3 nach oben verlagert, die Hebelelemente 146, 148 sind ausgeschwenkt und greifen in den Hinterschnittabschnitt 145 ein. In 3 ist der Hebel 148 in der Freigabestellung gezeigt.
In der in 3 gezeigten Halteposition sind das erste Verbindungsmodul 100 und das zweite Verbindungsmodul 106 miteinander verbunden, wobei der Bolzenabschnitt 138 des zweiten Verbindungsmoduls 106 in dem Hohlzylinderabschnitt 124 des ersten Verbindungsmoduls 100 aufgenommen ist, der Innenkonusabschnitt 122 des ersten Verbindungsmoduls 100 und der Außenkonusabschnitt 140 des zweiten Verbindungsmoduls 106 aneinander anliegen und die Verzahnungen 142, 144 miteinander in Eingriff stehen, sodass das Luftafahrzeug 104 auch bezüglich einer Rotation um die Längsachse 108 kraft- und/oder formschlüssig definiert aufgenommen ist. In der Halteposition sind das erste Verbindungsmodul 100 und das zweite Verbindungsmodul 106 miteinander verriegelbar. Wenn die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung in die Sperrstellung geschaltet ist, sind das erste Verbindungsmodul 100 und das zweite Verbindungsmodul 106 miteinander in allen sechs Freiheitsgraden verriegelt und das Luftfahrzeug 104 ist beispielsweise auch überkopf handhabbar. Zum Starten des Luftfahrzeugs 104 wird die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung in die Freigabestellung geschaltet, sodass sich das erste Verbindungsmodul 100 und das zweite Verbindungsmodul 106 voneinander lösen können. Beim Starten des Luftfahrzeugs 104 wird zunächst der als Führungsabschnitt wirksame Bolzenabschnitt 138 an dem als Führungsabschnitt wirksamen Hohlzylinderabschnitt 124 linear geführt. Sobald der Bolzenabschnitt 138 den Hohlzylinderabschnitt 124 verlassen hat, können der als Freigabeabschnitt wirksame Bolzenabschnitt 138 und der als Freigabeabschnitt wirksame Innenkonusabschnitt 122 ein Abheben des Luftfahrzeugs 104 unterstützen.
Beim Landen des Luftfahrzeugs 104 unterstützen zunächst der als Fangabschnitt wirksame Bolzenabschnitt 138 und der als Fangabschnitt wirksame Innenkonusabschnitt 122 ein Aufsetzen des Luftfahrzeugs 104. Sobald der Bolzenabschnitt 138 in den Hohlzylinderabschnitt 124 geführt ist, wird der als Führungsabschnitt wirksame Bolzenabschnitt 138 an dem als Führungsabschnitt wirksamen Hohlzylinderabschnitt 124 linear geführt, bis das erste Verbindungsmodul 100 und das zweite Verbindungsmodul 106 in der Halteposition miteinander verbunden sind.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: erstes Verbindungsmodul
102: Vorrichtung
104: Luftfahrzeug
106: zweites Verbindungsmodul
108: Längsachse
110: Landegestell
112: Nutzlast
114: Fläche
116: Lufteinlass
118: Luftauslass
120: Abdeckung
122: Innenkonusabschnitt
124: Hohlzylinderabschnitt
126: Endeffektor
128: Gehäuse
130: Antenne
132: Sensor
134: Statusanzeige
136: Signal- und/oder Leistungsschnittstelle
138: Bolzenabschnitt
140: Außenkonusabschnitt
142: Verzahnung
144: Verzahnung
145: Hinterschnittabschnitt
146: Hebelelement
148: Hebelelement
150: Gabelgelenk
152: Stößelstange
154: Führung
156: Druckfeder
158: Aktuator
160: Schwenklager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/171735 A1 [0002]
WO 2021/010869 A1 [0003]
US 2006/0249623 A1 [0004]
US 2019/0126478 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung (102) zum automatisierten Senkrechtstarten, Senkrechtlanden und/oder Handhaben eines Luftfahrzeugs (104) mithilfe eines Roboters, die Vorrichtung (102) aufweisend ein erstes Verbindungsmodul (100) und ein zweites Verbindungsmodul (106), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungsmodul (100) und das zweite Verbindungsmodul (106) jeweils einen in einer Fang- und/oder Freigabephase wirksamen Fang- und/oder Freigabeabschnitt und einen in einer Führungsphase wirksamen Führungsabschnitt aufweisen und das erste Verbindungsmodul (100) und das zweite Verbindungsmodul (106) in einer Halteposition verriegelbar sind.
Vorrichtung (102) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungsmodul (100) einen als Fang- und/oder Freigabeabschnitt wirksamen Innenkonusabschnitt (122) und einen als Führungsabschnitt wirksamen Hohlzylinderabschnitt (124) und das zweite Verbindungsmodul (106) einen als Fang- oder Freigabeabschnitt und Führungsabschnitt wirksamen Bolzenabschnitt (138) aufweist.
Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Verbindungsmodul (106) einen mit dem Innenkonusabschnitt (122) des ersten Verbindungsmoduls (100) korrespondierenden Außenkonusabschnitt (140) aufweist.
Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungsmodul (100) und das zweite Verbindungsmodul (106) in der Halteposition wirksame Verzahnungen (142, 144) aufweisen.
Vorrichtung (102) nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen (142, 144) zwischen dem Innenkonusabschnitt (122) und dem Außenkonusabschnitt (140) wirksam sind.
Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen (142, 144) rauten-, diamant-, kreis- oder ellipsenförmig ausgeführt sind.
Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (102) eine zwischen dem ersten Verbindungsmodul (100) und dem zweiten Verbindungsmodul (106) wirksame Sperr- und/oder Freigabevorrichtung aufweist.
Vorrichtung (102) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung passiv sperrend und aktiv freigebend ist.
Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperr- und/oder Freigabevorrichtung wenigstens ein federkraftbeaufschlagtes und/oder aktuatorbetätigbares Hebelelement (146, 148) aufweist.
Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (102) wenigstens eine zwischen dem ersten Verbindungsmodul (100) und dem zweiten Verbindungsmodul (106) wirksame Signal- und/oder Leistungsschnittstelle (136) aufweist.
Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (102) wenigstens einen zwischen dem ersten Verbindungsmodul (100) und dem zweiten Verbindungsmodul (106) wirksame Sensor (132) oder Schalter aufweist.
Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungsmodul (100) strukturell in ein Luftfahrzeug (104) integriert und/oder das zweite Verbindungsmodul (106) als Endeffektor (126) ausgeführt ist.
Luftfahrzeug (104), wobei das Luftfahrzeug (104) mithilfe eines Roboters automatisiert senkrechtstartbar, senkrechtlandbar und/oder handhabbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug (104) ein erstes Verbindungsmodul (100) oder ein zweites Verbindungsmodul (106) einer Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
Endeffektor (126) für einen Roboter zum automatisierten Senkrechtstarten, Senkrechtlanden und/oder Handhaben eines Luftfahrzeugs (104), dadurch gekennzeichnet, dass der Endeffektor (126) ein zweites Verbindungsmodul (106) oder ein erstes Verbindungsmodul (100) einer Vorrichtung (102) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.