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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine eigenfortbewegungsfähige Vorrichtung
längs einer
weitgehend eben ausgebildeten Oberfläche mit wenigstens zwei mit
der Oberfläche
in Kontakt bringbaren Antriebsmitteln, die miteinander in Wirkverbindung
stehen, wobei die Antriebsmittel über wenigstens jeweils eine
mit der Oberfläche
in Berührung
bringbare Kontaktfläche
verfügen,
wobei die Kontaktfläche
jedes Antriebsmittels um jeweils eine die Oberfläche durchsetzende Drehachse
in Rotation versetzbar ist und mit der Oberfläche derart über Gleitreibung in Wechselwirkung
tritt, und pro Antriebsmittel eine parallel zur Oberfläche gerichtete,
auf das jeweilige Antriebsmittel wirkende resultierende Reibungskraft
FR ≠ 0
erzeugbar ist, und wobei durch Überlagerung
der an den Antriebsmitteln wirkenden resultierenden Reibungskräfte im Wege
der in Wirkverbindung stehenden Antriebsmitteln eine die Eigenfortbewegungsfähigkeit
ausschließlich
verursachende Gesamtkraft FG erzeugbar ist.
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Insbesondere
verfügt
die eigenfortbewegungsfähige
Vorrichtung über
ein Antriebssystem, das sich in bevorzugter Weise für mobile
Manipulator- oder Roboterplattformen eignet, mit denen technische
Oberflächen
bearbeitet oder inspiziert werden können. Das Fortbewegungssystem
eignet sich überdies
zur mobilen Bewältigung
beliebig geneigter Oberflächen,
wodurch die Einsatzmöglichkeiten
gattungsgemäßer eigenfortbewegungsfähiger Vorrichtungen
sehr vielfältig
sind.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen
verfügen
typischerweise über
Antriebssysteme, deren Antriebskräfte über motorisch angetriebene
Räder oder über eine
Vielzahl einzeln ansteuerbarer Senk- und Hebemechanismen durch Andrücken an
die jeweilige Oberfläche,
längs der
die Fortbewegung erfolgen soll, erzeugt werden. Die für eine sichere
Fortbewegung gegenüber
der Oberfläche
erforderlichen Andruckkräfte
sind von derartigen Vorrichtungen in aller Regel selbst aufzubringen.
Im einfachsten Fall rühren
die Andruckkräfte
durch das Gesamtgewicht der jeweiligen Vorrichtung selbst her, in
bestimmten Anwendungsfälle,
insbesondere in Fällen
der Bewältigung
von schräg
geneigten Oberflächen,
dienen zusätzliche
Ansaugsysteme für
eine wirksame Erhöhung
der für
einen sicheren Halt der Vorrichtung gegenüber der Oberfläche nötigen Andruck-
Auflagekräften.
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Neben
der reinen Fortbewegung von sich längs einer Oberfläche autonom
fortbewegenden Vorrichtungen spielen vorrichtungsspezifische Funktionen
der jeweiligen Vorrichtung eine wichtige Rolle für der konstruktive Auslegung
der Bewegungskinematik des jeweiligen Antriebssystems. Beispielsweise
sind zu Reinigungszwecken entsprechende als Reinigungsroboter ausgebildete Vorrichtungen
mit zusätzlichen
Reinigungswerkzeugen ausgestattet, die zur Oberflächenreinigung
gegen die Oberfläche gedrückt werden
müssen,
wodurch die durch das Gesamtsystem erzeugte Andruckkraft auf die
Oberfläche
herabgesetzt wird. Neben dem Vorsehen geeigneter Reinigungswerkzeuge
sind überdies
auch durchaus kleinbauende, selbstbewegende Robotersysteme zur Oberflächenbearbeitung
oder Oberflächeninspektion
bekannt.
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Alle
bisher bekannten, wenigstens eine Funktion verrichtenden eigenfortbewegungsfähigen Vorrichtungen,
beispielsweise in Form von Arbeits-, Reinigungs- oder Inspektionsroboter,
ist gemein, dass durch Inbetriebnahme der die jeweiligen Funktionen
durchführenden
Werkzeugkomponenten die durch das Gesamtgewicht der Vorrichtung
zum Bewegungsantrieb erforderlichen Andruckkräfte, die über die zur Fortbewegung erforderlichen
Antriebssysteme auf die Oberfläche
einwirken, reduziert werden. Dies wirkt sich in besonderem Maße in Fällen negativ
aus, in denen zur Erzeugung der erforderlichen Andruckkräfte zur
Fortbewegung die reine Gewichtskraft der Vorrichtung nicht ausreicht,
beispielsweise in Fällen,
in denen die Vorrichtung längs schräg geneigter
Oberflächen
zu bewegen ist. In diesen Fällen
gilt es zusätzliche
Systeme vorzusehen, durch die die zur Fortbewegung erforderlichen
Andruckkräfte
erzeugt bzw. verstärkt
werden, beispielsweise im Wege von Unterdruckeinrichtungen.
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Repräsentativ
hierfür
wird beispielsweise auf die
US
6,276,478 B1 verwiesen, in der ein mittels Unterdruck an
einer Oberfläche
anhaftender Roboter beschrieben wird, der mittels eines mit Rädern ausgestatteten
Fahrgestells über
eine Oberfläche
bewegbar ist. Je nach Einsatzzweck sind unterschiedliche Werkzeuge
zur Bearbeitung der Oberfläche
an die selbstbewegungsfähige
Robotereinheit adaptierbar.
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Zur
Reinigung beispielsweise der Außenhaut von
Flugzeugen ist in der
EP
0 710 188 B1 ein Reinigungsroboter beschrieben, der zur
selbstanhaftenden Fortbewegung längs
der zu reinigenden Oberfläche
einen über
zwei motorisch angetriebene Umlaufwalzen geführten Kettenradantrieb aufweist,
an dessen, der Oberseite zugewandten Kettenseite, eine Vielzahl
einzelner saugnapfartig ausgebildeter Vakuumbecher vorgesehen ist,
die für
einen sicheren Halt der gesamten Reinigungsvorrichtung auch an schräg geneigten
Oberflächenkonturen
sorgt. Zusätzlich sind über einen
Hubzylinder kraftbeaufschlagbare, gegen die Oberfläche gepresste
Reinigungswalzen vorgesehen, um den gewünschten Oberflächenreinigungseffekt
zu erzielen.
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Aus
der gattungsbildenden
US 4 997052 geht
eine eigenfortbewegungsfähige
Vorrichtung hervor, mit der Arbeiten auf ebenen und geneigten Oberflächen durchführbar sind.
Die Vorrichtung besteht aus einem Rahmen und mindestens einem mit
dem Rahmen fest verbundenen Antriebsmittel, das im Betrieb mittels
Unterdruck an der Oberfläche
haftet und das eine mit der Oberfläche in Berührung bringbare rotierende
Kontaktfläche
aufweist. Im Betrieb tritt die Kontaktfläche mit der Oberfläche über Gleitreibung
in Wechselwirkung. Durch eine Erhöhung der Gleitreibung in einem
räumlich
fest zugeordneten Bereich der Kontaktfläche, kann eine parallel zur
Oberfläche gerichtete,
auf das Antriebsmittel wirkende resultierende Reibungskraft F
R ≠ 0
erzeugt werden, die die Vorrichtung antreibt. Zur Erhöhung der
Gleitreibung und damit die Erzeugung der resultierenden Reibungskraft
F
R ≠ 0
wird eine Normalkraft F
N mittels eines Rollkörpers generiert,
der am Rahmen derart fest angebracht ist, dass seine äußere Abrollfläche auf die
der Oberfläche
gegenüberliegende
Seite der rotierenden Kontaktfläche
drückt
und dadurch in diesem Bereich die Gleitreibung zwischen Kontaktfläche und
Oberfläche
lokal erhöht.
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Beim
Einsatz eines Rollkörpers
zur Erzeugung einer lokalen Normalkraft auf die rotierende Kontaktfläche und
damit der Erzeugung einer unterschiedlichen Gleitreibung zwischen
Kontaktfläche und
Oberfläche
ergeben sich jedoch folgende Nachteile: Verschmutzung des Rollkörpers beispielsweise durch
Abrieb, Abnutzung und Verschleiß des
Rollkörpers
sowie der Kontaktfläche,
aufwendige Konstruktion, Erfordernis einer genauen Justage des Rollkörpers, insbesondere
bei Einsatz mehrer Antriebsmittel bei einer Vorrichtung sowie zusätzliches
Gewicht und Kosten
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Darstellung der Erfindung
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Es
besteht die Aufgabe, eine eigenfortbewegungsfähige Vorrichtung längs einer
weitgehend eben ausgebildeten Oberfläche mit wenigstens zwei mit
der Oberfläche
in Kontakt bringbaren Antriebsmitteln, die miteinander in Wirkverbindung
stehen, derart auszubilden, dass die vorstehend zum Stand der Technik
genannten Nachteile vermieden werden sollen. Insbesondere gilt es,
ein Antriebssystem zu schaffen, das keiner Reduzierung der Andruckkräfte der
Vorrichtung an die Oberfläche
durch Inbetriebnahme geeigneter, die Oberfläche funktional bearbeitender
oder inspizierender Werkzeugkomponenten unterliegt. Gleichsam gilt
es den auf die Oberfläche gerichteten
Anpressdruck möglicher
Werkzeugkomponenten durch das Antriebssystem nicht zu reduzieren.
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Das
Antriebssystem soll die Möglichkeit kleinbauender,
mobiler Arbeitsplattformen eröffnen und überdies
die Realisierung eines zur kontrollierten Fortbewegung längs einer
Oberfläche
befähigten und
konstruktiv einfach aufgebauten Bewegungsroboters ermöglichen.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1,
2 und 3 angegeben. Weitere, den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende
Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich eine eigenfortbewegungsfähige
Vorrichtung gemäß dem Oberbegriffes
des Anspruches 1 dadurch aus, die parallel zur Oberfläche gerichtete,
auf das jeweilige Antriebsmittel wirkende resultierende Reibungskraft
FR ≠ 0 durch
eine lokale Erhöhung
oder Erniedrigung der Gleitreibung in wenigstens einem in Bezug
zur Drehachse räumlich
fest zugeordneten Teilbereich der Kontaktfläche erzeugbar ist, dass die
lokale Erhöhung
oder Erniedrigung der Gleitreibung in der Kontaktfläche durch
eine lokal auf das Antriebsmittel einwirkende Normalkraft FN erzeugbar ist, und dass zur lokalen Erhöhung oder
Erniedrigung der auf das Antriebsmittel einwirkenden Normalkraft
FN ein Energiefeld oder ein Fluidstrom lokal
auf das rotierende Antriebsmittel einwirkt.
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Alternativ
zum Energiefeld oder Fluidstrom ist die lokale Erhöhung oder
Erniedrigung der Gleitreibung in dem wenigstens einen Teilbereich
der Kontaktfläche
durch Variation des Reibungskoeffizienten innerhalb des Teilbereiches
erzeugbar ist.
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Auch
ist es möglich
die parallel zur Oberfläche
gerichtete, auf das jeweilige Antriebsmittel wirkende resultierende
Reibungskraft FR ≠ 0 durch Rotation des Antriebsmittels
um eine Drehachse zu erzeugen, die nicht Symmetrieachse des Antriebsmittels
ist und die eine feste räumliche
Lage zu der die wenigstens zwei Antriebsmittel miteinander verbindende
Wirkverbindung einnimmt.
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Zentrales
Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die gezielte Nutzung der zwischen den Kontaktflächen der
Antriebsmittel und der Oberfläche herrschenden
Gleitreibung, einerseits zur Eigenfortbewegung der Vorrichtung,
andererseits ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Gleitreibung funktionell zu
nutzen, indem beispielsweise die Kontaktflächen der Antriebsmittel als
technische Funktionsoberflächen
ausgebildet sind, mit denen beispielsweise eine die Oberfläche säubernde,
bearbeitende und/oder inspizierende Wirkung erzielbar ist. Eine
derartige Integration bzw. Kombination führt nicht nur zu einer gemeinsamen
Nutzung der Andruckkräfte
für Antriebs- und
Bearbeitungszwecke, sondern darüber
hinaus ist es möglich
die Komplexität
derartiger Vorrichtung erheblich zu reduzieren, wodurch letztlich
deren Effizienz derartiger Gesamtsysteme deutlich verbessert werden
kann. So ermöglicht
die Effizienzerhöhung
einen höheren
Grad an Miniaturisierung, als es mit den herkömmlichen Vorrichtungskonzepten
der Fall ist. Zudem ist die Leistungsfähigkeit einer derartigen Vorrichtung
nicht zuletzt auch aufgrund eines erheblich wirtschaftlicheren Energieverbrauches
deutlich steigerbar.
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Wie
im weiteren unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele im einzelnen
hervorgehen wird, ist die erfindungsgemäß ausgebildete eigenfortbewegungsfähige Vorrichtung
in der Lage, gesteuert sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen
durchzuführen,
so dass vorgegebene Trajektorien, aber insbesondere ganze Flächenbereiche
befahren werden können.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es
zeigen:
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1a,
b Veranschaulichung des Grundprinzips zur Vorwärtsbewegung mittels eines rotierenden
Antriebsmittels,
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2 Vorrichtung
mit zwei Antriebsmitteln zur Vorwärtsbewegung längs einer
Geraden,
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3–5 Vorrichtungen
mit jeweils zwei Antriebsmitteln zur Durchführung rotatorischer Bewegungsabläufe,
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6 perspektivische
Darstellung eines technischen Ausführungsbeispiels,
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7, 8 schematisierte
Darstellungen zur Veranschaulichung lokal veränderter Reibkräfte zwischen
Antriebsmittel und Oberfläche,
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9 Prinzipdarstellung
für lokal
geänderten
Reibungskoeffizienten zwischen Antriebsmittel und Oberflächen,
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10 Rotation
eines Antriebsmittels um eine nicht mit der Symmetrieachse des Antriebsmittels
zusammenfallende Drehachse, und
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11, 12 Ausführungsvarianten
von Antriebsmitteln in Kombination mit einem Unterdruckelement.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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Zur
Veranschaulichung des Wirkprinzips der erfindungsgemäßen, eigenfortbewegungsfähigen Vorrichtung
sei auf 1a verwiesen, in der gemäß linker
Bilddarstellung ein Querschnitt durch ein als Scheibenelement ausgebildetes
Antriebsmittel 1 dargestellt ist, das um seine Symmetrieachse
drehbar relativ zu einem Halterahmen 2 gelagert ist, wobei
die Symmetrieachse A mit der Drehachse D zusammenfällt. Aus
Gründen
einer einfacheren Darstellung ist auf die Darstellung eines zweiten
Antriebsmittels, das über
den Halterahmen mit dem dargestellten Antriebsmittel verbunden ist,
verzichtet worden. In der Bilddarstellung gemäß 1a, linke
Bilddarstellung, liegt das Antriebsmittel 1 mit seiner
Kontaktfläche 1' auf einer Oberfläche 3 bündig auf.
Es sei angenommen, dass über
die gesamte Kontaktfläche 1' des Antriebsmittels 1 eine
gleichverteilte Normalkraft FNz und überdies
ein ebenso über
die gesamte Kontaktfläche 1' gleich verteilter
Reibungskoeffizient μR vorherrscht. Wird das Antriebsmittel 1 in
Bezug zur Symmetrie- und Drehachse A in Rotation versetzt, so entstehen
zwischen dem Antriebsmittel 1 und der Oberfläche 3 Reibungskräfte, die
sich bezogen zur Drehachse A unter folgenden Bedingungen gegenseitig aufheben:
- 1. Die Kontaktfläche des Antriebsmittels 1 ist punktsymmetrisch
zur Drehachse A.
- 2. Die durch das Eigengewicht des Antriebsmittels 1 hervorgerufene
resultierende Normalkraft auf die Oberfläche 3 sowie die Drehachse
fallen im Symmetriepunkt des als Scheibe ausgebildeten Antriebsmittels
zusammen.
- 3. Der zwischen dem Antriebsmittel 1 und der Oberfläche vorherrschende
Reibungskoeffizient ist über
die gesamte Kontaktfläche
homogen ausgebildet bzw. bei Inhomogenitäten ist die Verteilung punktsymmetrisch
zum Symmetriepunkt.
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Treffen
die vorstehenden Bedingungen zu, so verharrt das rotierende Antriebsmittel 1 selbst
bei loser Führung
durch den Halterahmens 2 auf der Stelle.
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Sorgt
man jedoch gezielt dafür,
dass eine der vorstehenden Bedingungen nicht zutreffen, so führt dies
zu einer parallel zur Oberfläche 3 gerichteten, auf
das Antriebsmittel 1 wirkenden resultierenden Reibungskraft
FR ungleich Null, wodurch das Antriebsmittel
aus seiner in 1a dargestellten Ruhelage in
eine bestimmte Vorzugsrichtung auswandert.
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So
kann bspw. durch lokale Veränderung
der Reibkräfte
zwischen dem rotierenden Antriebsmittel und der Oberfläche oder
aber durch Verschiebung der Rotationsachse aus der Symmetrieachse
des Antriebsmittels erreicht werden, die resultierende Reibkraft
FR > 0
zu wählen.
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Eine
lokale Veränderung
der Reibkräfte
kann prinzipiell entweder durch lokale Variation der Verteilung
des Reibungskoeffizienten längs
der Kontaktfläche
des Antriebsmittels erfolgen und/oder durch lokale Variation der
auf das Antriebsmittel lastenden Normalkräfte.
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1b
illustriert die oben stehend genannten Fälle. So sei gemäß linker
Bilddarstellung in 1b zunächst angenommen, dass der Reibungskoeffizient μR längs der
rotierenden Kontaktfläche des
Antriebsmittels 1, das in innigem Kontakt mit der Oberfläche 3 steht,
von der linken zur rechten Seite linear ansteigt. Nimmt man zudem
an, dass das scheibenförmig
ausgebildete Antriebsmittel 1 gemäß rechter Bilddarstellung entgegen
dem Uhrzeigersinn um die Drehachse A mit einer Kreisfrequenz ω rotiert, so
ergibt sich aufgrund der an der rechten Seite des Antriebsmittels
höheren
Gleitreibung eine nach unten gerichtete, resultierende Reibungskraft
FR, die das Antriebsmittel linear nach unten
ablenkt.
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Den
gleichen kinematischen Fall erhält
man, wenn bspw. bei homogener Verteilung des Reibungskoeffizienten
eine inhomogen auf das Antriebsmittel 1 einwirkende Normalkraft
FN der Gestalt einwirkt, dass der Betrag
der auf das Antriebsmittel 1 einwirkenden Normalkraft von
der linken zur rechten Seite zunimmt (siehe linke Bilddarstellung
in 1b). Auch in diesem Fall weicht das scheibenförmige Antriebsmittel
gemäß weißer Pfeildarstellung
im rechten Bildteil in 1b nach unten aus.
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Durch
entsprechende Nutzung bzw. Kombination der vorstehend beschriebenen
Effekte ist es möglich,
durch mehrere über
einen gemeinsamen Rahmen miteinander in Wirkverbindung stehende, rotierende
Scheiben eine gemeinsame Vorwärtsbewegung
aufzuzwingen, die sowohl rotatorisch als auch translatorisch ausgebildet
sein kann.
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In 2 ist
das translatorische Bewegungsprinzip einer eigenfortbewegungsfähigen Vorrichtung dargestellt,
bestehend aus zwei scheibenförmig
ausgebildeten Antriebsmitteln 1, die jeweils um eine Drehachse
rotatorisch angeordnet sind und über
einen die beiden Antriebsmittel 1 verbindenden Halterahmen 2 miteinander
in Wirkverbindung stehen. Die beiden Antriebsmittel 1 werden
mit jeweils gegenläufig
zueinander gerichteten Rotationssinn angetrieben. Ferner sei angenommen,
dass die zwischen den Antriebsmitteln 1 und der nicht weiter
in 2 dargestellten Oberfläche herrschenden Reibungskräfte durch
eine oder eine Kombination der in Bezugnahme auf 1b
beschriebenen Maßnahmen
inhomogen verteilt sind, vorzugsweise vom jeweils äußeren Rand
der Kontaktflächen
zum inneren Rand steigend zunehmen.
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Gemäß dem in 2 schematisiert
dargestellten Kraftdiagramm der jeweils auf die Antriebsmittel 1 herrschenden
Reibkräfte
FR, ist die Reibkraftverteilung der beiden
Antriebsmittel jeweils spiegelbildlich zueinander ausgebildet. Durch
die gegensinnige Rotation der einzelnen scheibenförmig ausgebildeten
Antriebsmittel 1 wird an jedem einzelnen Antriebsmittel 1 eine
resultierende Reibungskraft FR in gleicher
Richtung hervorgerufen, was, bedingt durch die gemeinsame Befestigung
an einem Halterahmen, zu einer Vorwärtsbewegung der Gesamtanordnung führt.
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Wesentlicher
Gesichtspunkt bei der translatorischen Eigenfortbewegung der Vorrichtung
ist es, dass sich die Reibkraftverteilungen während der rotatorischen Bewegungen
relativ zu den einzelnen Antriebsmitteln nicht mitdrehen, sondern
spiegelbildlich zu einer festen Raumachse B, die zugleich Symmetrieachse
der Gesamtvorrichtung ist, fest bleiben.
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In
den nachfolgenden 3, 4 und 5 sind
unterschiedliche Bewegungsszenarien dargestellt, die sich jeweils
durch folgende Voraussetzungen erzielen lassen: Setzt man gleichsam
wie in 2 eine spiegelbildliche Reibkraftverteilung zwischen
den jeweiligen Antriebsmitteln 1 und der Oberfläche voraus
und lässt
im Unterschied die Antriebsmittel 1 im gleichen Rotationssinn
drehen, so erhält man
eine rotatorische Bewegung des gesamten Systems um eine die gesamte
Vorrichtung durchsetzende Symmetrieachse B, wie in 3 dargestellt.
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In
gleicher Weise erhält
man eine rotatorische Bewegung des Gesamtsystems durch eine gegensinnige
Rotation der Antriebsmittel 1 gemäß Bilddarstellung in 4,
jedoch bei einer nicht-spiegelbildlichen Verteilung der zwischen
den Kontaktflächen
der Antriebsmittel und der Oberfläche wirkenden Reibkräfte. Den
gleichen Rotationseffekt erhält man überdies,
wenn die Antriebsmittel mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten
angetrieben werden (siehe hierzu Bilddarstellung gemäß 5),
bei der im Extremfall angenommen wird, dass das rechte Antriebsmittel
still steht und das linke Antriebsmittel mit der Kreisfrequenz ω rotiert.
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In 6 ist
ein technisches Ausführungsbeispiel
perspektivisch und schematisiert dargestellt. Die eigenfortbewegungsfähige Vorrichtung
weist zwei scheibenförmig
ausgebildete Antriebsmittel 1 auf, die jeweils relativ
zu ihren Symmetrieachsen, die zugleich die Rotations- bzw. Drehachsen
darstellen, um die die jeweiligen Antriebsmittel rotieren, über eine
mechanische Rahmenverbindung 2 miteinander in Wirkverbindung
stehen. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind die motorischen Antriebe 4, die die einzelnen Antriebsmittel 1 in
Rotation versetzen, lediglich schematisiert dargestellt. Nur der
guten Ordnung halber sei darauf hingewiesen, dass der motorische
Antrieb 4 der Antriebsmittel zum Drehantrieb um ihre jeweiligen
Drehachsen mit beliebigen Mitteln realisierbar ist. So ist es auch
möglich
beide Antriebsmittel oder eine bestimmte Vielzahl miteinander in Wirkverbindung
stehender Antriebsmittel über
eine Getriebeeinheit miteinander zu koppeln und die Antriebsmittel
mit nur einem einzigen Motor anzutreiben.
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Zur
gezielten lokalen Erhöhung
der auf die jeweils scheibenartig ausgebildeten Antriebsmittel 1 wirkenden
Normalkräfte
FN ist zusätzlich pro Antriebsmittel ein
kraftaufbringendes System 5 vorgesehen, das jeweils an
einen Rahmen 6 federnd 7 gelagerte, nicht selbständig angetriebene
Räder 8 vorsieht,
die jeweils eine Druckkraft auf die Außenseite der scheibenförmig ausgebildeten
Antriebsmittel 1 aufbringen und damit eine spiegelbildliche
Normalkraftverteilung über
die Antriebsmittel bewirken. Die Räder 8 sind bezüglich Position
und Orientierung mit Ausnahme der Federung 7 fix am Rahmen 6 bzw. 2 montiert.
Durch die drehbare Aufhängung
der einzelnen Räder 8 werden
diese ortsfest durch einen innigen, kraftbeaufschlagten Kontakt
mit den Antriebsmittel von diesen ebenfalls in Rotation versetzt.
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Mit
den in 6 in gegensinniger Orientierung angetriebenen
scheibenförmigen
Antriebsmitteln 1 sowie den jeweils am Außenbereich
der Antriebsmittel vorgesehenen kraftbeaufschlagenden Räder 8 wird
eine lineare Vorwärtsrichtung
gemäß Richtungspfeil
bewirkt.
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Das
der Linearbewegung zugrunde liegende Wirkprinzip ist unter Bezugnahme
auf 7 und 8 nachstehend näher erläutert. Wird
im vorstehenden Ausführungsbeispiel
das scheibenförmige Antriebsmittel 1 gemäß Bilddarstellung
in 7 durch eine am äußeren Rand des Antriebsmittels 1 zusätzliche
Druckkraft FD belastet, so führt dies
an dieser Stelle im Bereich zwischen dem Antriebsmittel 1 und
der Oberfläche 3 zu
einer Erhöhung
der Reibungskraft FR, obgleich bspw. der
Reibungskoeffizient μR über
die gesamte Kontaktfläche
konstant ist. Dies führt
letztlich zu einer parallel zur Oberfläche gerichteten Auslenkkraft
des Antriebsmittels in eine bestimmte Vorzugsrichtung. Zum gleichen
Ergebnis kommt man, wenn anstatt der Druckkraft FD eine
lokal wirkende Zugentlastung FZ an einer
geeigneten Stelle des Antriebsmittels wirkt. Hierdurch würde sich die
Reibkraft FR lokal verringern, was jedoch
zum gleichen Ergebnis wie vorstehend geschildert führt. In
beiden Fällen
ergibt sich ein inhomogener Verlauf der Normalkraft FN über die
gesamte Kontaktfläche des
Antriebsmittels.
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Zur
technischen Realisierung einer lokal auf das scheibenförmig ausgebildete
Antriebsmittel wirkenden normal zur Oberfläche gerichteten Druckkraft FD, sollte das scheibenförmig ausgebildete Antriebsmittel
in der in 8 linken Darstellung in einem
sehr kleinen Winkel schwenkbar oder elastisch um die Drehachse parallel
zu der Oberfläche 3 aufgehängt sein,
um die zusätzliche
Druckkraft FD, die bspw. von den in 6 dargestellten
Rädern 8 erzeugt
wird, lokal auf die Oberfläche 3 weiter
zu leiten. Die in 8 gezeigte rechte Bilddarstellung
zeigt eine am linken Rand des Antriebsmittels 1 erhöhte Normalkraft
FN, mit der das Antriebsmittel gegen die
Oberfläche 3 gedrückt wird
und die über
die Kontaktfläche
zum rechten Rand des Antriebsmittels linear abfällt.
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Alternativ
oder in Kombination zu der in 6 dargestellten
Maßnahme
zur lokalen Erhöhung
des Anpressdruckes, ist unter Bezugnahme auf 9 eine weitere
alternative Maßnahme
dargestellt, mit der es möglich
ist, die zwischen der Kontaktfläche
des jeweiligen Antriebsmittels und der Oberfläche herrschenden Reibungskoeffizienten
lokal zu verändern.
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9 zeigt
eine Ansicht des scheibenförmig ausgebildeten
Antriebsmittels 1 von unten, so dass die Kontaktfläche 1' des Antriebsmittels 1 dargestellt ist.
In einer räumlich
festen Zuordnung zur Drehachse A, um die sich das Antriebsmittel 1 dreht,
ist in einem Teilbereich 9 ein Medium vorgesehen, das über einen
anderen Reibungskoeffizienten verfügt, als der übrige Teil
der Kontaktfläche 1'. Bspw. kann
ein derartiges Medium eine Flüssigkeit
sein, vorzugsweise jedoch als Flächenelement,
bspw. in Form eines Blechbereiches, ausgebildet sein. Durch Vorsehen eines
derartigen, lokal zur Kontaktfläche
begrenzten Mediums ist der Reibungskoeffizient der gesamten Kontaktfläche nicht
mehr homogen, bzw. bei Inhomogenitäten nicht mehr punktsymmetrisch
zum Symmetriepunkt A verteilt. Somit ist es allein durch lokale
Variation des Reibungskoeffizienten möglich ohne weitere Krafteinwirkung
auf die rotierenden Antriebsmittel oder Auflageflächenveränderung
eine resultierende Reibungskraft zur gezielten Eigenfortbewegung parallel
zur Oberfläche
zu generieren.
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In 10 ist
eine schematisierte Querschnitts- und Draufsichtdarstellung eines
in Rotation versetzbaren Antriebsmittels 1 dargestellt,
das gleichsam der vorstehend bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele
ausgebildet ist. Die Drehachse fällt jedoch
in diesem Fall nicht mit der Symmetrieachse des scheibenförmigen Antriebsmittels
zusammen, wodurch sich eine Richtungsverteilung der Reibkräfte zwischen
dem Antriebsmittel und der Oberfläche ergibt, so dass die resultierende
Reibkraft ebenfalls ungleich 0 ist und eine gezielte Vorwärtsbewegung
(siehe Pfeildarstellung in der rechten Bilddarstellung in 10)
des Antriebsmittels bewirkt. Hierbei sollte die Drehachse einen
räumlich
festen Bezug zum Rahmen, der die wenigstens zwei Antriebsmittel
miteinander verbindet, einnehmen.
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Neben
den unter Bezugnahme auf die 2 bis 10 beschriebenen
Maßnahmen
zur gezielten Erzeugung einer resultierenden Reibungskraft FR ungleich 0, die zu einer gezielten Linear-
oder Rotationsbewegung der Vorrichtung führen, vermag auch eine gezielte
Variation der einzelnen Rotationsgeschwindigkeiten der miteinander
in Wirkverbindung stehenden Antriebsmittel eine Veränderung
der Reibverhältnisse
derart hervorzurufen, so dass sich eine zur Eigenfortbewegung erforderliche
resultierende Reibungskraft erzeugt. Alle vorstehenden Maßnahmen
können
zur gezielten Eigenfortbewegungsfähigkeit einzeln oder in Kombination
ergriffen werden, sofern nötig
und sinnvoll.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
betreffen in erster Linie eigenfortbewegungsfähige Vorrichtungen, die sich
längs horizontaler Oberflächen autonom
fortbewegen. Die im Folgenden unter Bezugnahme auf die 11 und 12 beschriebenen
Ausführungen
für eine
eigenfortbewegungsfähige
Vorrichtung vermögen
sich zudem sicher längs
einer gegenüber
der horizontal geneigten Oberfläche
fortzubewegen.
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11 zeigt
einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform, die ein scheibenförmig ausgebildetes
Antriebsmittel 1 vorsieht, das mit der Oberfläche 3 einen
Hohlraum 10 einschließt.
Mit dem Hohlraum 10 ist eine nicht weiter dargestellte
Unterdruckquelle verbunden, durch die der Hohlraum 10 unter
Unterdruckbedingungen versetzbar ist, wodurch ein Saugeffekt entsteht,
durch den das Antriebsmittel 1 an die Oberfläche 3 angesaugt
wird und somit die Haftung der Vorrichtung an der Oberfläche 3 vergrößert wird.
Nur der guten Ordnung halber wird darauf hingewiesen, dass das in 11 dargestellte Ausführungsbeispiel
lediglich einen Teil der Vorrichtung zeigt, ein weiteres Antriebsmittel,
das identisch mit dem Dargestellten ausgebildet ist, steht wie bereits
auch bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen über den
Halterahmen 2 mit dem abgebildeten Antriebsmittel in Wirkverbindung.
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In
bevorzugter Weise gilt es den im eingeschlossenen Volumen 10 vorherrschenden
Unterdruck gegen den die Vorrichtung umgebenden Umgebungsdruck zur
Aufrechterhaltung eines Druckunterschiedes abzugrenzen. Dies kann
entweder dadurch erfolgen, indem zwischen dem Antriebsmittel 1 und
der Oberfläche
ein Haftoder Gleitmedium eingebracht ist, bspw. in Form einer Flüssigkeit,
durch die eine gasdichte Verbindung zwischen dem Antriebsmittel
und der Oberfläche
realisierbar ist. Andererseits ist es möglich, das Antriebsmittel 1 aus
einem geeignet gewählten
elastischen Material zu fertigen, bspw. Gummi, das eine konturgetreue
Anschmiegung zwischen der Kontaktfläche des Antriebsmittels und
der Oberflächenkontur
der Oberfläche 3 ermöglicht.
Die gezielte Vorwärtsbewegung
kann mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen auch mit der in 11 gezeigten
Ausführungsform
durchgeführt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform,
deren Haltekraft gegenüber
einer Oberfläche
Unterdruck unterstützt
erfolgt, ist in 12 dargestellt, die eine Draufsicht
auf ein modifiziert ausgeführtes
Antriebsmittel zeigt, das über
einen Halterahmen 2 mit wenigstens einem weiteren, nicht
dargestellten Antriebsmittel verbunden ist. Das in 12 dargestellte
Antriebsmittel besteht insbesondere aus zwei Komponenten, einer
inneren Scheibe 11 und einer die Scheibe 11 umgebenden
Ring 12. Die Scheibe 11 ist in der in 11 dargestellten
Weise ausgebildet und verfügt über einen
Hohlraum, der in Abschluss mit der Oberfläche 3 gebracht einen
Unterdruck einzuschließen vermag.
Somit sorgt die innere Scheibe 11 für eine erforderliche Steigerung
der Haltekraft der gesamten Vorrichtung gegenüber einer nicht weiter dargestellten
Oberfläche.
Ferner sei angenommen, dass der, die Scheibe 11 umgebende
Ring mit der Scheibe 11 über eine Peripherverzahnung
in Wirkverbindung steht. Über
die Peripherverzahnung werden zwar rotatorische Momente zwischen
beiden Komponenten übertragen
nicht jedoch auf die Oberfläche
gerichtete Normalkräfte.
So kann bei entsprechender Rotation der inneren Scheibe 11 die
Drehbewegung über
die Verzahnung auf den äußeren Ring 12 übertragen werden,
der für
einen entsprechenden Bewegungsantrieb in der vorstehend beschriebenen
Weise dient. In gleicher Weise kann umgekehrt der äußere Ring als
Haft-untersützende
Komponente ausgebildet und eingesetzt werden und die innere Scheibe
als das die Eigenfortbewegung bewirkende Antriebselement dienen.
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Selbstverständlich lassen
sich auch alternative auf Saugeffekte basierende Haltekraft unterstützende Systeme
ausbilden, die in vorteilhafter Weise mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem
kombinierbar sind.
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Die
erfindungsgemäß ausgebildete,
eigenfortbewegungsfähige
Vorrichtung kann neben dem beschriebenen Bewegungssystem in vorteilhafter Weise
zwei Funktionen auf sich vereinen, nämlich ein Antriebs- und Werkzeugsystem.
So kann in vorteilhafter Weise die reibende bzw. schleifende Wirkung der
rotierenden Antriebsmittel für
eine gezielte technische Oberflächenbearbeitung
eingesetzt werden, bspw. in Form eines Reinigungssystems, in dem
zumindest Teile der rotierenden Kontaktflächen der Antriebsmittel mit
entsprechend ausgebildeten technischen Reinigungsfunktionen ausgerüstet sind,
bspw. durch Vorsehen entsprechender Mikrofasertücher, etc..
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Alternativ
oder in Kombination ist es ferner möglich, die rotierenden Kontaktflächen der
Antriebsmittel mit Sensoren auszustatten, die der zu befahrenden
Oberfläche
zugewandt sind um flächendeckende
Oberflächeninspektionen
durchführen
zu können.
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Neben
den beschriebenen Reinigungsfunktionen lassen sich überdies
beliebig weitere Oberflächen
bearbeitende Werkzeuge mit den Kontaktflächen der Antriebsmittel kombinieren,
so bspw. schleif-, polier- oder spanabhebende Werkzeuge.
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Die
vorstehend aufgezeigte Integration führt nicht nur zu dem Vorteil
einer gemeinsamen Nutzung der Andruckkräfte für die Antriebs-, Halte- und
Werkzeugfunktion, sondern verbessert darüber hinaus auch die Effizienz
des Gesamtsystems, indem bspw. die Komplexität derartiger eigenfortbewegungsfähiger Vorrichtung
erheblich verringert werden kann, wodurch letztlich eine weitere
Möglichkeit
zur Miniaturisierung derartiger Vorrichtungen geschaffen wird.
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Da
die Vorrichtung in der Lage ist, gesteuert sowohl translatorische
als auch rotatorische Bewegungen eigenständig durchzuführen, können beliebige
Bahnen sowie auch Flächen
längs einer
Oberfläche überfahren
und entsprechend bearbeitet werden. Nicht notwendigerweise müssen die
zu bearbeitenden Oberflächen
für die
erfindungsgemäße Vorrichtung
plan bzw. eben ausgebildet sein. Bei entsprechender Wahl von sich
selbständig
an die Oberflächenkontur
anpassenden Materialien für
die Kontaktfläche
der Antriebsmittel können
auch rauhe bzw. gekrümmte
Oberflächen
erfolgreich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung befahren werden.
Um die Betriebssicherheit während
der Fortbewegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung längs unebener,
geneigter oder rauher Oberflächen
zu erhöhen,
sind Wege aufgezeigt worden, um die Andruckkräfte der Vorrichtung an die
Oberfläche
bspw. im Wege gezielter Unterdrucksaugkomponenten zu erhöhen.
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- 1
- Antriebsmittel
- 1'
- Kontaktfläche
- 2
- Halterahmen
- 3
- Oberfläche
- 4
- Motor
- 5
- Kraftaufbringendes
System
- 6
- Rahmen
- 7
- Feder
- 8
- Rad
- 9
- Teilbereich
- 10
- Hohlraum
- 11
- Scheibe
- 12
- Ring