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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein mobiles Manipulatorsystem aufweisend Mittel zum Bewegen einer mobilen Plattform auf einem Untergrund.
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Hintergrund der Erfindung
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Manipulatorsysteme kommen zum Einsatz, wenn beispielsweise eine Produktion von Gütern ein erhöhtes Maß an Präzision und Reproduzierbarkeit bei einer hohen Produktionsgeschwindigkeit erfordern. Unter anderem können Manipulatorsysteme mobile Plattformen aufweisen mit Mitteln zur Fortbewegung auf einem Untergrund, wie Räder, die es ermöglichen, dass eine mobile Plattform frei auf einem Untergrund bewegt werden kann, was die Reichweite der mobilen Plattform erhöht. Somit kann eine mobile Plattform an unterschiedlichen Orten zum Einsatz kommen, womit ihre Flexibilität im Einsatz verbessert wird. Beispielsweise können mobile Plattformen als Last- und Transportfahrzeuge eingesetzt werden für den automatisierten Transport von Ladung innerhalb eines Raumes. Hierfür werden häufig unbemannte fahrerlose Transportfahrzeuge (Automated Guided Vehicle, AGV) verwendet. Die Räder der mobilen Plattform können beispielsweise normale „Reifen” sein, die über eine schwenkbare Radachse in ihrer Laufrichtung verstellbar sind, oder auch Mecanum-Räder sein, welche die Beweglichkeit der mobilen Plattform weiter erhöhen, indem sie eine holonome Bewegung auf einem Untergrund ermöglichen. Die Bewegung der mobilen Plattform kann über kontaktfreie Sensoren gesteuert werden, die entweder an der mobilen Plattform selbst oder im Raum angeordnet sind, so dass die Raumumgebung und die Position der mobilen Plattform kontaktfrei bestimmt werden kann, so dass sich die mobile Plattform frei auf dem Untergrund im Raum steuern lässt. Allerdings ist die exakte Positionierung der mobilen Plattform unter Einsatz von kontaktfreien Sensoren aufgrund der Ungenauigkeit der Sensoren nicht möglich oder es wird eine vergleichsweise lange Zeit benötigt bis die Positionierung abgeschlossen ist. Die Positionierung wird umso schwieriger, je höher das Maß an Genauigkeit ist, das erreicht werden soll und je höher das Gewicht der mobilen Plattform ist, was auch Ladung einschließen kann, welche die mobile Plattform trägt. So ist bei mobilen Plattformen, die beispielsweise mehrere hundert Kilogramm an Ladung tragen, eine exakte Positionierung mit einer Genauigkeit beispielsweise bis zu 1 mm nicht möglich oder erheblich zeitaufwändig, da die Messsignale der kontaktfreien Sensoren über eine längere Zeit akkumuliert werden müssen um das Sensorrauschen zu kompensieren, um so die Genauigkeit zu erhöhen.
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Aus dem Patentdokument
DE 10 2008 063 659 A1 ist ein System zum reibungsarmen Führen eines Busses bekannt, bei dem der Bus sowohl über ein feststehendes Schienenrad und ein schwenkbares Straßenrad geführt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die obigen Nachteile zumindest teilweise auszuräumen.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mobiles Manipulatorsystem, aufweisend zumindest eine mobile Plattform mit Mitteln zum Bewegen der mobilen Plattform auf einem Untergrund, und zumindest eine Führungsschiene die auf dem Untergrund angeordnet ist, wobei die Mittel zum Bewegen mindestens aufweisen: ein Antriebsrad, wobei der Umfang des Antriebsrads eine Kontaktfläche ausbildet, die für ein Kontaktieren mit dem Untergrund vorgesehen ist und ein Schienenrad, wobei der Umfang des Schienenrads eine Kontaktfläche ausbildet, die für einen Eingriff mit der Führungsschiene eingerichtet ist, wobei die Bewegung der mobilen Plattform von der Führungsschiene geführt ist, wenn das Schienenrad mit der Führungsschiene im Eingriff ist. Die mobile Plattform kann hierbei ein oder mehrere Räder umfassen, beispielsweise vier Räder oder mehr, die eine Bewegung im Raum parallel zum Untergrund ermöglichen. Das Antriebsrad ist in der Regel über eine Achse mit der mobilen Plattform verbunden. Das Antriebsrad kann dabei von einem Antriebsstrang der mobilen Plattform angetrieben werden. Das Schienenrad kann dieselbe Achse aufweisen wie das Antriebsrad und somit den gleichen Antriebsstrang aufweisen. Dies erleichtert die Anordnung des Antriebsstranges in der mobilen Plattform. Oder aber das Antriebsrad und das Schienenrad haben jeweils eigene Antriebsstränge, was vorteilhaft sein kann, wenn das Antriebsrad und das Schienenrad mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden sollen. Beispielsweise können die Räder auch jeweils separat angetrieben werden, was eine genaue Bewegung im Raum durch ein spezifisches Ansteuern der Räder ermöglicht. Die Steuerung der mobilen Plattform kann über kontaktfreie Sensoren erfolgen, die eine Bewegung der mobilen Plattform im Raum detektieren können, wobei die Sensoren entweder im Raum oder an der mobilen Plattform angeordnet sein können.
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Das Schienenrad kann beispielsweise aus einem starren Material ausgebildet sein und die Achse des Schienenrads kann nicht schwenkbar oder aber, wie bei dem Antriebsrad, parallel zum Untergrund schwenkbar sein. Die Führungsschiene ist vorzugsweise aus einem geeigneten starren Material hergestellt und so auf dem Untergrund angeordnet, dass eine mobile Plattform sich darauf bewegen und an eine definierte Position geführt werden kann. Es können eine beliebige Anzahl von Führungsschienen vorgesehen werden, beispielsweise zwei Führungsschienen, die parallel zueinander auf dem Untergrund vorlaufen und so zueinander beabstandet sind, dass die Schienenräder auf den Führungsschienen geführt werden können. Durch das Eingreifen des Schienenrads mit der Führungsschiene und durch den Einsatz starrer Materialien kann die Bewegung der mobilen Plattform entlang der Führungsschiene geführt werden, was die Genauigkeit bei der Positionierung der mobilen Plattform sowohl senkrecht zur Bewegungsrichtung als auch in Bewegungsrichtung erhöht, verglichen mit der Bewegung mittels der Antriebsräder auf einem Untergrund. Somit können auch mobile Plattformen, die eine Ladung mit hohem Gewicht aufnehmen exakt positioniert werden, ohne dass sich die Ungenauigkeit bei der Positionierung erhöht, wie es beispielsweise durch eine Verformung bei einem elastischen Hartgummimantel der Fall wäre. Die mobile Plattform kann sich somit durch den Einsatz der Antriebsräder schnell auf dem Untergrund bewegen und bis kurz vor eine gewünschte Zielposition gelangen. Am Zielort wird die mobile Plattform dann über die Führung der Schienenräder auf der Führungsschiene präzise positioniert, bis die mobile Plattform ihre gewünschte, finale Zielposition erreicht hat.
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Weiterhin können das Schienenrad und das Antriebsrad koaxial angeordnet sein. Eine koaxiale Anordnung des Schienenrads und des Antriebsrads ermöglicht es, dass das Schienenrad und das Antriebsrad durch denselben Antriebsstrang angetrieben werden können, was die Anordnung des Antriebs in der mobilen Plattform vereinfacht. Das Schienenrad und das Antriebsrad können aber auch eigene Antriebsstränge aufweisen. Zum Beispiel kann es von Vorteil sein, zunächst einen Antrieb zu verwenden, der geeignet ist die mobile Plattform mit Hilfe der Antriebsräder mit hoher Geschwindigkeit auf dem Untergrund zum Zielort zu bewegen und anschließend einen Antrieb zu verwenden, der eine geeignet hohe Präzision bei der Bewegung der mobilen Plattform auf der Führungsschiene ermöglicht.
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Weiterhin können das Schienenrad und das Antriebsrad drehfest miteinander verbunden sein. Die drehfeste Verbindung des Antriebsrads mit dem Schienenrad ermöglicht es, dass die Winkelgeschwindigkeit und die Bewegungsrichtung der Räder gleich sind und es wird eine Kraftübertragung zwischen den Rädern ermöglicht. Vorteilhaft kann derselbe Antriebsstrang der mobilen Plattform für das Schienenrad und das Antriebsrad verwendet werden. Somit kann eine bestehende mobile Plattform einfach auf zu einer erfindungsgemäßen mobilen Plattform umgerüstet werden.
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Weiterhin kann, wenn das Schienenrad mit der Führungsschiene im Eingriff ist, das Antriebsrad den Untergrund kontaktieren. Durch den Kontakt des Antriebsrads mit dem Untergrund kann eine verbesserte Beschleunigung und ein verbessertes Abbremsen der mobilen Plattform ermöglicht werden.
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Oder die mobile Plattform kann so eingerichtet sein, dass das Antriebsrad den Untergrund nicht kontaktiert, wenn das Schienenrad mit der Führungsschiene im Eingriff ist. Somit erfolgt die Positionierung der mobilen Plattform einzig über die geführte Bewegung des Schienenrads. Indem das Antriebsrad den Kontakt zum Untergrund verliert, wird die Genauigkeit bei der Positionierung der mobilen Plattform erhöht. Das Antriebsrad, das Schienenrad und die Führungsschiene können dabei so ausgebildet sein, dass das Antriebsrad mit einem Abstand bis zu 5 cm, vorzugsweise bis zu 2 cm und besonders bevorzugt bis zu 0,1 cm vom Untergrund abhebt, wenn das Schienenrad mit der Führungsschiene in Eingriff steht. Bei einer geringen Höhe ist vorteilhaft die Stabilität der Führungsschiene erhöht. Zudem wird weniger Energie benötigt um die mobile Plattform vom Untergrund anzuheben.
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Weiterhin kann die Führungsschiene zumindest eine Vertiefung aufweisen, die derart dimensioniert ist, dass das Antriebsrad den Untergrund kontaktiert, wenn das Schienenrad in der Vertiefung ist. Das „Einrasten” des Schienenrads in die Vertiefung kann zur Positionierung der mobilen Plattform auf der Führungsschiene genutzt werden, beispielsweise über einen Beschleunigungssensor, welcher an der mobilen Plattform angeordnet ist und welcher das „Einrasten” erkennen und so die Position der mobilen Plattform bestimmen kann.
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Weiterhin kann das Antriebsrad ein Mecanum-Rad sein, welches Mecanum-Rollen umfasst, die in einem Winkel schräg zum Untergrund angeordnet sind, vorzugsweise in einem Winkel von 45°. Die Mecanum-Rollen können eine Bewegung in alle Raumrichtungen parallel zum Untergrund, vorzugsweise eine vollständig holonome Bewegung, ermöglichen, wie z. B. auch seitwärts Manöver oder ein sich-auf-der-Stelledrehen der mobilen Plattform. Somit wird ermöglicht, dass sich die mobile Plattform auch in sehr engen Räumen bewegen kann.
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Weiterhin kann die Führungsschiene an ihrer Oberfläche eine Schräge aufweisen, wobei die Lauffläche von zumindest einer Mecanum-Rolle parallel zur Schrägen angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da die Mecanum-Rolle die Führungsschiene für einen verbesserten Antrieb oder für zusätzliche Bremskraft kontaktieren kann, wenn die mobile Plattform mit dem Schienenrad auf der Führungsschiene geführt wird.
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Weiterhin kann die mobile Plattform ein fahrerloses Transportfahrzeug sein. Die Ausgestaltung der mobilen Plattform als fahrerloses Transportfahrzeug hat den Vorteil, dass die mobile Plattform sich innerhalb eines Raumes autark fortbewegen kann. Sämtliche zur Steuerung und zum Antrieb des fahrerlosen Transportfahrzeugs notwendigen Mittel können bei der mobilen Plattform vorgesehen sein, was unter anderem die Reichweite der mobilen Plattform und damit ihre Flexibilität im Einsatz erhöht.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die angeführten Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt
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1A und 1B schematische Ansichten eines Manipulatorsystems, mit Blickrichtung senkrecht zum Untergrund;
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2A und 2B schematische Seitenansichten des Manipulatorsystems der 1A und 1B;
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3A und 3B schematische Seitenansichten des Manipulatorsystems der 1A bis 2B mit einer modifizierten Führungsschiene; und
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4A und 4B Anordnungen von Antriebs- und Schienenrädern.
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Insbesondere zeigt 1A zeigt eine schematische Draufsicht, mit Blickrichtung senkrecht zum Untergrund 20, eines mobilen Manipulatorsystems 1, mit einer mobilen Plattform 2, welche Schienenräder 3 und Antriebsräder 5 entlang ihrer Längsseiten aufweist. Ein Schienenrad 3 und ein Antriebsrad 5 bilden ein Rad-Paar, wobei die Räder koaxial angeordnet sind. Die Antriebsräder 5 stehen in Kontakt mit dem Untergrund 20. Das Schienenrad 3 hat einen Radius, welcher kleiner ist als der Radius des Antriebsrads 5. Die mobile Plattform 2 bewegt sich entlang der Bewegungsrichtung 100 in Richtung einer gewünschten Zielposition 15, wobei aber auch andere Bewegungsrichtungen parallel zum Untergrund 20 möglich sind, da die Achsen der Antriebsräder 5, die, wie gezeigt, den Achsen der Rad-Paare entsprechen, parallel zum Untergrund 20 schwenkbar sind. Die Schienenräder 3 stehen nicht in Kontakt zum Untergrund 20 und sind so voneinander beabstandet, dass sie dem Abstand der parallel verlaufenden Führungsschienen 7 entsprechen, welche sich entlang des Untergrunds 20 erstrecken.
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1B zeigt eine schematische Draufsicht, wobei die mobile Plattform 2 auf die Führungsschienen 7 geführt und an der Zielposition 15 angekommen ist. Die Führungsschienen 7 sind hierbei in Eingriff mit den Schienenrädern 3. Der Eingriff der Schienenräder 3 mit den Führungsschienen 7 erlaubt ein exaktes Positionieren der Plattform 2 und verhindert ein Schwenken der Radachsen parallel zum Untergrund 20.
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2A zeigt eine schematische Seitenansicht der Anordnung von 1A. Die Führungsschienen 7 verlaufen parallel entlang des Untergrunds 20 und erstrecken sich senkrecht vom Untergrund aus.
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2B zeigt eine schematische Seitenansicht der Anordnung von 1A. Die mobile Plattform 2 ist in Richtung 200 vom Untergrund 20 ab- bzw. angehoben. Wie in der Figur gezeigt, sind die Schienenräder 3 in Eingriff mit der Führungsschiene 7 und die Antriebsräder 5 haben keinen Kontakt zum Untergrund 20. Das Gewicht der mobilen Plattform 2 wird hierbei von den Schienenrädern 3 getragen.
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3A zeigt eine schematische Seitenansicht wie in 2A mit einer modifizierten Führungsschiene 7'. Die Führungsschienen 7' verlaufen parallel entlang des Untergrunds 20 und weisen Vertiefungen 9 auf, welche geeignet sind, um die Schienenräder 3 zumindest teilweise aufzunehmen.
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3B zeigt eine schematische Seitenansicht, wobei die Schienenräder 3 in Eingriff mit der Führungsschiene 7' an den Positionen der Vertiefungen 9 sind. Die Antriebsrädern 5 kontaktieren dabei den Untergrund 20. Die mobile Plattform 2 befindet sich an der Zielposition 15 und das Gewicht der mobilen Plattform 2 wird zumindest teilweise von den Schienenrädern 3 und teilweise von den Antriebsrädern 5 getragen.
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4A zeigt eine schematische Querschnittsansicht, mit Blickrichtung parallel zum Untergrund 20, eines Antriebsrads 5', wobei das Antriebsrad 5' und die Schienenräder 3 koaxial angeordnet sind. Das Schienenrad 3 und das Antriebsrad 5 haben den gleichen Radius. Das Antriebsrad 5' ist herbei ein Mecanum-Rad und umfasst Mecanum-Rollen 11, welche einen 45°-Winkel zwischen dem Untergrund 20 und der Achse der Mecanum-Rollen 11 ausbilden.
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4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht mit einer parallel zum Untergrund 20 verlaufenden Führungsschiene 7, die eine Schräge 13 mit einem Winkel zum Untergrund 20 aufweist, so dass die Oberfläche der Mecanum-Rolle 11 und die Oberfläche der Schräge 13 parallel zueinander verlaufen. Dies erlaubt einen guten Kontakt der Oberfläche der Mecanum-Rolle 11 mit der Führungsschiene 7 und damit einen verbesserten Antrieb der Plattform, wenn diese (bzw. die Schienenräder der Plattform) in Eingriff mit der Führungsschiene ist.
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Bezugszeichenliste
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Manipulatorsystem
- 2
- Mobile Plattform
- 3
- Schienenrad
- 5, 5'
- Antriebsrad
- 7, 7'
- Führungsschiene
- 9
- Vertiefung
- 11
- Mecanum-Rollen
- 13
- Schräge
- 15
- Zielposition
- 20
- Untergrund
- 100
- Bewegungsrichtung
- 200
- Abheberichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008063659 A1 [0003]
