DE10212665A1

DE10212665A1 - Laufvorrichtung, Verfahren zu deren Steuerung und Roboter

Info

Publication number: DE10212665A1
Application number: DE2002112665
Authority: DE
Inventors: Peter Spende
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2003-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufvorrichtung, die mindestens drei Laufeinheiten, wovon jede mindestens zwei Stützen, die durch ein Verbindungselement fest miteinander verbunden sind, und Mittel zum Abheben oder Wegschwenken der Stützen oder Teile von ihnen vom Untergrund vorweist, eine Tragkonstruktion, durch die die Laufeinheiten fest miteinander verbunden und so angeordnet sind, dass sie sich in den Ecken eines Polyeders befinden, wobei die Laufeinheiten in der Tragkonstruktion drehbar gelagert sind, und mindestens ein Mittel zum Drehen der Laufeinheiten, sowie Steuerungs- und Versorgungseinheiten umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufvorrichtung, ein Verfahren zur Steuerung der Laufvorrichtung und einen Roboter, der eine solche Laufvorrichtung aufweist.
In Industrie und Forschung werden die verschiedensten Geräte und Werkzeuge auf fahr- oder bewegbare Vorrichtungen aufgesetzt. Als prominentes Beispiel mag der Mars Polar Lander bei der Mars Surveyor Mission der NASA von 1998 dienen. Die Sonde Mars Polar Lander bestand aus einer Anzahl von Detektoren zur Untersuchung der Atmosphäre des Mars, einem Greifarm zum Aufnehmen von Gesteinsproben und ähnlichem, die auf einem fahrbaren Untersatz montiert waren. Ein anders Beispiel ist ein Miniauto, auf das eine Kamera montiert wurde, und die dann in einen schmalen Gang der Cheops-Pyramide gesetzt wurde, um zu erforschen, ob dieser in eine geheime Grabkammer mündet.

Neben solchen eher exotischen Anwendungen, gibt es aber vor allem in Industrie eine Vielzahl von Anwendungen in der Produktion oder bei der Lagerhaltung, zu Transportzwecken oder als beweglicher Untersatz für einen Montageroboter, der mit Werkzeugen bestückt ist. Meistens wird die Beweglichkeit durch eine auf Rädern oder Ketten laufende Vorrichtung realisiert, die dann durch entsprechende Aufnahmen für Güter, Werkzeuge usw. ergänzt wird.

Die bisherigen Lösungen sind vielfach technisch aufwendig und dementsprechend teuer. Vor allem aber ist die Mehrzahl der bekannten Industrieroboter an vorbestimmte Bewegungsbahnen bzw. begrenzte Bewegungsradien gebunden oder jedenfalls nur auf ebenem Untergrund einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Bewegungsvorrichtung für einen Roboter mit einem entsprechenden Steuerungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die nicht auf eine vorbestimmte Bewegungsbahn festgelegt ist und größere Bodenunebenheiten überwinden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die durch ein Steuerverfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 12 gesteuert wird, sowie einem Roboter mit den Merkmalen aus Anspruch 15 gelöst.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die Laufvorrichtung aus mindestens drei Laufeinheiten besteht, wovon jede mindestens zwei Stützen umfasst, die durch ein Verbindungselement fest miteinander verbunden sind. Ein weiterer grundlegender Gedanke der Erfindung liegt darin, dass die Laufeinheiten mit Mitteln zum Abheben oder Wegschwenken der Stützen oder Teile von ihnen vom Untergrund versehen sind.

Ein weiterer wesentlicher Gedanke betrifft eine Tragkonstruktion, durch die die Laufeinheiten fest miteinander verbunden sind und so angeordnet sind, dass sie sich in den Ecken eines Polyeders befinden. Grundlegend hierbei ist, dass die Laufeinheiten in der Tragkonstruktion drehbar gelagert sind und die Laufvorrichtung mindestens ein Mittel zum Drehen der Laufeinheiten aufweist. Weiterhin umfasst die Erfindung den Gedanken, dass an der Laufvorrichtung Steuerungs- und Versorgungseinheiten vorhanden sind.

Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens für die Laufvorrichtung besteht darin, daß vor einem Bewegungsschritt alle Stützen der Laufeinheiten in Kontakt mit dem Untergrund sind. Ein weiterer Aspekt ist, daß ein Bewegungsschritt mit dem Abheben bzw. Wegschwenken von Stützen der Laufeinheiten oder von Teilen derselben vom Untergrund beginnt, so dass nur noch je eine Stütze in Kontakt mit dem Untergrund bleibt. Ein fundamentaler Aspekt des Steuerverfahrens ist die Drehung aller Laufeinheiten einer Laufvorrichtung um einen definierten Winkel, wodurch sich der Schwerpunkt der Laufvorrichtung in eine neue Position bewegt hat. Ein weiterer Aspekt besteht darin, daß der Bewegungsschritt dadurch beendet wird, dass die angehobenen bzw. weggeschwenkten Stützen in Kontakt mit dem Untergrund gebracht werden.

Vorgeschlagen wird des weiteren ein Roboter, der eine erfindungsgemäße Laufvorrichtung umfasst, und weiterhin mit einer Aufnahmevorrichtung für Werkzeuge, Geräte etc. und/oder Personen versehen ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Laufvorrichtung drei Laufeinheiten, die je zwei Stützen, welche durch ein Verbindungselement fest miteinander verbunden sind, und Mittel zum Abheben oder Wegschwenken der Stützen oder Teile von ihnen vom Untergrund aufweisen. An die Verbindungselemente sind mittig Ankopplungselemente für den Antrieb angebracht. Die Laufeinheiten sind durch eine Tragkonstruktion bevorzugt an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet und in der Tragkonstruktion drehbar gelagert. Die Ankopplungselemente sind durch ein Kopplungselement miteinander gekoppelt, so dass in vorteilhafter Weise die Drehung einer Laufeinheit um einen beliebigen Winkel auf die anderen Einheiten übertragen wird.

Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie Ausführungsbeispielen, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2a und 2b Prinzipskizzen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3a bis 3e Skizzen einiger weiterer Ausführungsformen von Laufeinheiten,
Fig. 4a bis 4d eine schematische Darstellung eines Steuerverfahrens für die Laufvorrichtung nach Fig. 1 und
Fig. 5 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboters.
Fig. 1 zeigt eine Laufvorrichtung 100, bestehend aus drei Laufeinheiten 110, die je zwei Stützen 120, 121 haben, welche durch einen Querholm 130 fest miteinander verbunden sind. Des weiteren sind (hier nicht dargestellte) Mittel vorhanden, um die Stützen 120, 121 oder Teile von ihnen vom Untergrund wegschwenken oder abheben zu können. Hierzu sind in den Fig. 3a bis 3e einigen Ausführungsformen einer Laufeinheit 110 dargestellt.
An dem Querholm 130 ist mittig eine Achse 140 angebracht, auf die eine Drehscheibe 150 aufgesetzt ist. Die Laufeinheiten 110 sind durch eine Tragkonstruktion 160 an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Die Tragkonstruktion 160 ist mit entsprechenden Lagerungen so ausgeführt, dass die Laufeinheiten 110 drehbar gelagert sind.
Die Drehscheiben 150 sind durch einen umlaufenden Riemen 170 miteinander gekoppelt. Durch die Kopplung wird die Drehung einer Drehscheibe 150, bzw. der entsprechenden Laufeinheit 110, um einen beliebigen Winkel auf die anderen Einheiten 110 übertragen. Ein Motor zur Drehung einer der Laufeinheiten 110 oder zum Antrieb des Riemens 170 ist hier nicht dargestellt.
In einer Modifikation der Drehscheiben sind diese mit einer Außenverzahnung versehen und durch einen Zahnriemen gekoppelt. In einer anderen Ausführungsform wird jede Laufeinheit 110 im Einzelantrieb durch je einen Motor pro Laufeinheit 110 gedreht.
Fig. 2a zeigt eine etwas anders aufgebaute Laufvorrichtung 200. Hier wird die Kopplung der Laufeinheiten 210 über ein Antriebsrad 220, das durch den Motor 230 angetrieben wird, bewirkt. Im Gegensatz zur Laufvorrichtung 100 aus Fig. 1 wird bei den Laufeinheiten 210 auf ein Ankopplungselement (140, 150) verzichtet. Die Verbindungselemente 240 sind in Form von Drehscheiben ausgeführt, und, wie in Fig. 2b dargestellt, sind diese direkt an der Tragkonstruktion 250 gelagert. Die Stützen 260, 261 bestehen je aus einem Pneumatikzylinder und entsprechendem Kolben, die von unten an das Verbindungselement 240 angesetzt sind.
In einer Modifikation dieser Ausführung sind sowohl das Antriebsrad 220 als auch die Verbindungselemente 240 mit ineinandergreifenden Außenverzahnungen versehen, wodurch eine Kopplung der Laufeinheiten 210 bewirkt wird.
Wie bereits erwähnt, werden die Stützen der Laufeinheiten oder Teile von ihnen vom Untergrund weggeschwenkt oder abgehoben. Hierzu ist in Fig. 3a bei der Laufeinheit 310 das Verbindungselement 311, dessen Form hier nicht näher betrachtet werden soll, mit einer Durchführung für jede Stütze 312, 313 versehen. Die Durchführung ist in Form einer Durchbohrung des Verbindungselementes ausgeführt. Die starren Stützen 312, 313 werden dann über eine nicht dargestellten Seilzug nach oben gezogen, wobei für die Abwärtsbewegung allein die Gewichtskraft der Stützen ausreichend ist.
Bei der Laufeinheit 320 in Fig. 3b sind die Stützen 321, 322 der teleskopartig ausgeführt und von unten an das Verbindungselement 323 angesetzt. Die Stützen 321, 322. bestehen aus je einem Pneumatikzylinder mit entsprechendem Kolben, der über die Steuerung von mit Druckluft beaufschlagten Drosselventilen ein- bzw. ausgefahren wird.
In Fig. 3c wird bei der Laufeinheit 330 nur der untere Teil 331, 332 einer Stütze 333, 334 über ein Gelenk weggeschwenkt, wohingegen in Fig. 3d die gesamte Stütze 340, 341 der Laufeinheit 342 weggeschwenkt wird. Zum Wegschwenken wird in beiden Fällen ein nicht dargestellter Seilzug verwendet.
Schließlich sind bei der Laufeinheit 350 aus Fig. 3e die Stützen 351, 352 außen an das Verbindungselement 353 angesetzt. Die Stützen 351, 352 sind mit einer Nut versehen, die mit einer entsprechenden Führung an dem Verbindungselement 353 verbunden ist, auf der sie dann auf- oder abwärts geschoben werden.
Um die Vorrichtungen aus Fig. 1 oder Fig. 2 zum "Laufen" zu bringen, ist ein in den Fig. 4a bis 4d verdeutlichter Schrittablauf notwendig, wobei der Einfachheit halber nur eine Laufeinheit 400, bestehend aus Verbindungselement 410 und zwei Stützen 420, 430 dargestellt. Wie aus Fig. 4a ersichtlich, befinden sich anfänglich beide Stützen 420, 430 der Laufeinheit 400 in Kontakt mit dem Untergrund. Nun wird, wie in Fig. 4b dargestellt, die Stütze 420, hier in einer teleskopartigen Ausführung, durch das Reinfahren eines Gliedes vom Untergrund abgehoben. Eine Drehung von 180° um die Symmetrieachse SA der Laufeinheit 400 bewirkt eine Drehung um die am Untergrund verbliebene Stütze 430, die als Drehachse DA dient, um denselben Winkel. Dadurch ergibt sich eine Verschiebung der Laufeinheit, wie in Fig. 4c dargestellt, um den doppelten Betrag des Abstandes von Symmetrieachse SA und Drehachse DA. Der Schritt wird nun in Fig. 4d mit dem Absenken der Stütze 420 auf den Untergrund beendet.
Wird dieser soeben beschriebene Bewegungsablauf von allen Laufeinheiten 110 einer Laufvorrichtung 100, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, gleichzeitig ausgeführt, so bewegt sich diese ebenfalls um die oben erwähnte Distanz fort. Hierzu ist jedoch anzumerken, das sich "gleichzeitig" nur auf die Drehung der Laufeinheiten 110 bezieht, das Abheben bzw. Absenken der Stützen 120, 121 kann in beliebiger Reihenfolge vorgenommen werden. Eine Hintereinanderausführung einer beliebigen Anzahl solcher Bewegungsschritte, wobei der Bewegungsschritt immer mit der Stütze 120 oder 121 beginnt, die im vorhergehenden Bewegungsschritt als Drehachse gedient hat, führt zum "Laufen" der Vorrichtung 100, wobei sich durch Einstellen eines von 180° abweichenden Drehwinkels eine Richtungsänderung ergibt.
Fig. 5 zeigt einen Roboter 500, der aus einer Laufvorrichtung 510 und einer Ladefläche 520 zur Aufnahme von Containern besteht. Die Laufvorrichtung 510 weicht vom in Fig. 1 beschriebenen Aufbau nur dadurch ab, dass hier auf die Drehscheiben verzichtet wurde, und die Kopplung der Laufeinheiten 530 über durch den Motor 540 angetriebenen Riemen 550, der an den Achsen 560 der Laufeinheiten angreift. Alle Stützen 570, 571 werden durch einen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Motor auf- bzw. abbewegt.
Auf die Tragkonstruktion 580 ist eine zentrale Steuer- und Versorgungseinheit 590, wobei die zum Betrieb, z. B. der Motoren, notwendige Elektrizität durch Akkus zur Verfügung gestellt wird. Die Steuereinheit 590 wird extern über eine Fernbedienung bedient, wobei sie zusätzlich mit Daten, die Ultraschallsensoren 600 liefern, gespeist wird. Die Ultraschallsensoren 600 sind einerseits an den Laufeinheiten 530 angebracht und dienen zur Abtastung des Untergrundes auf Unebenheiten, Löcher oder Hindernisse, anderseits sind sie an der Tragkonstruktion 580 angebracht und dienen zur Detektion von Hindernissen, die sich in Bewegungsrichtung befinden.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben dargestellten Beispiele beschränkt, sondern umfasst eine Vielzahl von Abwandlungen, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Bezugszeichenliste 100; 200; 510 Laufvorrichtung
110; 210; 310; 320; 330; 340; 350; 400; 530 Laufeinheit
120, 121; 260, 261; 312, 313; 321, 322; 331, 332, 333, 334; 341, 342; 351, 352; 420, 430; 570, 571 Stütze
130; 240; 311; 323; 353; 410 Verbindungselement
140, 150; 560 Ankoppelelement
160; 250; 580 Tragkonstruktion
170; 220; 550 Kopplungsmittel
500 Roboter
230; 540 Motor
520 Ladefläche
590 Steuer- und Versorgungseinheit
600 Ultraschallsensor
SA Symmetrieachse
DA Drehachse

Claims

1. Laufvorrichtung (100; 200; 510), bestehend aus
mindestens drei Laufeinheiten (110; 210; 310; 320; 330; 340; 350; 400; 530), die jeweils mindestens zwei Stützen (120, 121; 260, 261; 312, 313; 321, 322; 331, 332, 333, 334; 341, 342; 351, 352; 420, 430; 570, 571), die durch ein Verbindungselement (130; 240; 311; 323; 353; 410) fest miteinander verbunden sind, und Mittel zum Abheben oder Wegschwenken der Stützen oder von Teilen derselben vom Untergrund umfassen, sowie
einer Tragkonstruktion (160; 250; 580), welche die Laufeinheiten fest miteinander verbindet und in einer polyedrischen Form anordnet, wobei jede Laufeinheit drehbar gelagert ist, und
mindestens einem Mittel (230; 540) zum Drehen der Laufeinheiten, sowie
mindestens einer Steuerungs- und Versorgungseinheit (590).

2. Laufvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stützen (120, 121; 312, 313; 341, 342; 351, 352) jeder Laufeinheit (110; 310; 340; 350) in einer festen Länge ausgeführt sind und jeweils in einer am Verbindungselement (130; 311, 323, 331, 343, 353) angebrachten oder im Verbindungselement integrierten Führung geführt sind.

3. Laufvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (260, 261; 321, 322; 420, 430; 570, 571) teleskopartig, insbesondere als Hydraulikzylinder-kolben- Vorrichtung oder Pneumatikzylinder/-kolben-Vorrichtung, ausgeführt sind.

4. Laufvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (331, 332, 333, 334) zweiteilig und mit einem Gelenk zum Umklappen des unteren Teiles der Stütze (331, 332) versehen sind.

5. Laufvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufeinheiten (110; 530) ein Ankopplungselement (140, 150; 560),das zur wirkungsmäßigen Kopplung der Laufeinheiten durch ein Kopplungsmittel (170; 550) dient, umfassen, wobei dieses mit dem Verbindungselement (130) starr verbunden ist und in der Symmetrieachse (SA) des Verbindungselements sitzt.

6. Laufvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankopplungselement in Form einer Achse (140), auf die eine Drehscheibe (150), insbesondere mit Außenverzahnung, mittig aufgesetzt ist, ausgeführt ist.

7. Laufvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen (341, 342) einer Laufeinheit (340) in einer festen Länge ausgeführt sind und durch einen Kipphebelmechanismus miteinander verbunden sind.

8. Laufvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufvorrichtung (340) eine zentrale Kopplung der drei Kipphebelmechanismen durch ein einziges Mittel, insbesondere durch einen Bowdenzug, umfasst.

9. Laufvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufeinheiten (110; 210; 530) durch Kopplungsmittel (170; 220; 550), die an den Verbindungselementen (240) und/oder den Ankopplungselementen (150, 560) der Laufeinheiten angreifen, miteinander gekoppelt sind, welche bewirken, dass sich bei Drehung einer Laufeinheit um einen beliebigen Winkel alle Laufeinheiten um diesen Winkel drehen.

10. Laufvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufeinheiten (110; 530) durch ein umlaufendes Kopplungsmittel (170; 550), insbesondere eine Kette, ein Seil, einen Flachriemen oder einen Zahnriemen, miteinander gekoppelt sind.

11. Laufvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufeinheiten (110; 210; 310; 320; 330; 340; 350; 400; 530) an den Eckpunkten eines Dreiecks, insbesondere eines gleichseitigen Dreiecks, angeordnet sind.

12. Steuerverfahren für eine Laufvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sich vor einem Bewegungsschritt alle Stützen (420, 430) der Laufeinheiten (400) in Kontakt mit dem Untergrund befinden und
zu Beginn eines Bewegungsschrittes jeweils mindestens eine Stütze (420) der Laufeinheiten oder von Teilen derselben vom Untergrund abgehoben bzw. verschwenkt werden, so dass nur eine Stütze (430) pro Laufeinheit (in Kontakt mit dem Untergrund verbleibt, und dann
alle Laufeinheiten um einen Winkel α ≠ 360° gedreht werden, womit
bei den Laufeinheiten jeweils eine Drehung des Verbindungselementes (410) um die am Untergrund verbliebene Stütze (430) als Drehachse hervorgerufen wird, wodurch
sich der Schwerpunkt der Laufvorrichtung in eine neue Position bewegt hat und nachfolgend
der Bewegungsschritt dadurch beendet wird, dass die angehobenen bzw. verschwenkten Stützen (420) in Kontakt mit dem Untergrund gebracht werden.

13. Steuerverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abheben oder Verschwenken der Stützen (120, 121; 260, 261; 312, 313; 321, 322; 331, 332, 333, 334; 341, 342; 351, 352; 420, 430; 570, 571) aller Laufeinheiten (110; 210; 310; 320; 330; 340; 350; 400; 530) oder von Teilen derselben vom Untergrund sowie das Wiederherstellen des Kontaktes der Stützen oder von Teilen derselben mit dem Untergrund gleichzeitig geschieht.

14. Steuerverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei gleichzeitiger Auf- bzw. Abwärtsbewegung oder Ein- bzw. Ausfahren aller 6 Stützen (120, 121; 260, 261; 570, 571), die sich alle in Kontakt mit dem Untergrund befinden, ein Absenken bzw. Anheben der gesamten Laufvorrichtung (100; 200; 510) bewirkt wird.

15. Roboter (500), mit einer Laufvorrichtung (100; 200; 510) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der weiterhin eine Aufnahmevorrichtung (520) für Werkzeuge und/oder Geräte und/oder Ladegüter und/oder Personen aufweist.

16. Roboter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (590) mit einem Empfänger zum Empfang externer Steuersignale gekoppelt ist.

17. Roboter nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter Mittel (600) zur Detektion der Beschaffenheit des Untergrundes, umfasst.

18. Roboter nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter über Mittel (600) zur Detektion der Umgebung des Roboters, insbesondere in Bewegungsrichtung, verfügt.

19. Roboter nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Roboters (500), insbesondere der Laufvorrichtung (510) in Abhängigkeit von Signalen, die von den Detektionsmittel (600) zur Verfügung gestellt werden, erfolgt.