DE4327961A1 - Fahrerloses Transportsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein fahrerloses Transportsystem mit einem Fahrzeugrahmen, einem Fahrwerk mit zumindest drei Rädern oder dergleichen, zumindest einem Fahrantrieb für ein Rad und zumindest einem Drehantrieb für ein Rad.

Fahrerlose, als Fahrzeuge ausgebildete Transportsysteme sind bereits seit vielen Jahren im industriellen Einsatz. Die Beweglichkeit der Fahrzeuge, die möglichen Fahr­ bewegungen und auch der Raumbedarf bei Kurvenfahrt werden im wesentlichen durch die Anzahl der Freiheitsgrade der Bewegung bestimmt. Hierbei unterscheidet man linien­ bewegliche Fahrzeuge mit zwei Freiheitsgraden und flächenbewegliche Fahrzeuge mit drei Freiheitsgraden. Als Fahrzeuge sind vorwiegend linienbewegliche Fahrzeuge im Einsatz, die lediglich vorwärts und rückwärts fahren kön­ nen. Dabei deckt das sogenannte Dreiradfahrzeug, welches eine Lenkachse mit Fahrantrieb aufweist, ca. 80% aller Einsatzfälle ab. Bei derartigen Fahrzeugen weisen die angetriebenen Räder jeweils einen im Bereich der Radnabe angeordneten Antriebsmotor auf.

Es sind Fahrzeuge bekannt, die zwei Räder an einem Drehkern aufweisen, wobei die Achsen der Räder koaxial zueinander angeordnet sind. Der Drehkern ist drehbar in einer Lagerung am Fahrzeugrahmen befestigt und weist an seinem Außenumfang einen Zahnkranz auf, welcher mit einem Zahnrad kämmt, das von einem Lenkmotor gedreht wird (vergleiche M. JANTZER, Bahnverhalten und Regelung fahrerloser Transportsysteme ohne Spurbindung, ISW- Bericht 82, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1990). Es sind darüberhinaus Fahrzeuge bekannt, die mehrere, bis zu vier neuartige Antriebsräder aufweisen. (Nach dem Erfinder Max SEGERLJUNG - "MAXWHEEL" genannt - vergleiche K. PHILQUIST "A Study of the Kinematics and Statics of a New Patented Wheel" Preliminary Internal Report, September 1992 Chalmers Univ. of Tech. Gothenburg, Sweden).

An flexible fahrerlose Transportsysteme werden insbeson­ dere die Anforderungen eines geringen Raumbedarfs bei Kurvenfahrten, hoher Beweglichkeit in engen Fahrräumen, hohe Bahngenauigkeit bei ausschließlicher Verwendung von Drehgebern an den Fahr- und Lenkantrieben, Möglichkeit der freien Vorgabe von Rahmenorientierung entlang belie­ biger Bewegungsbahnen, hohe erreichbare Lenkdynamik, sowie geringer konstruktiver und fertigungs- und steue­ rungstechnischer Aufwand gestellt.

Die Anwendung derartiger Transportsysteme resultiert in erster Linie aus wirtschaftlichen Überlegungen. Bei flächenbeweglichen Fahrzeugen ist grundsätzlich mit höheren Investitionen zu rechnen, da physikalisch drei kinematische Freiheitsgrade nur mit drei Motoren reali­ siert werden können. Bei der Anwendung derartiger flächenbeweglicher Transportsysteme stehen daher Über­ legungen im Vordergrund, die mit herkömmlichen linien­ beweglichen Transportsystemen nicht zu bewältigen sind. Hierzu gehören unter anderem ein stark eingeschränkter Bewegungsraum für die Fahrbewegungen, insbesondere vor Übergabestellen oder Montagearbeitsplätzen, die Möglich­ keit der freien Vorgabe der Rahmenorientierung des Trans­ portsystems entlang beliebiger Bewegungsbahnen sowie die Fähigkeit zum sensorgeführten bzw. -geregelten Positio­ nieren vor Übergabestationen.

Demgegenüber sind bei preisgünstigen fahrerlosen Trans­ portsystemen nur zwei Antriebseinheiten (Motoren) er­ forderlich. Bei einer günstigen Fahrzeugkinematik sind sie ebenfalls in der Lage beliebige Bewegungsbahnen abzufahren, jedoch ist dabei die Fahrzeugorientierung nicht veränderbar. Daher werden derartige Transport­ systeme immer dann eingesetzt, wenn auf die Orientierung des Fahrzeugrahmens verzichtet werden kann. Dies gilt z. B. für Transportsysteme, die mechanisch an Übergabe­ stellen ausgerichtet werden oder Montageroboter mit­ führen, die über eine eigene Turmdrehachse verfügen.

Bei den vorbekannten fahrerlosen Transportsystemen sind Bahnrichtungsänderungen aus dem Stand heraus, wie sie beispielsweise bei Positionierbewegungen erforderlich sein können, nur unter Inkaufnahme von Bohrschlupf mög­ lich. Derartiger Bohrschlupf führt jedoch zu Abrieb an den Antriebsrädern und einer Beschädigung der Fahrbahn­ oberfläche. Dadurch wird die erreichbare Bahngenauigkeit bei spurungebundener Führung stark beeinträchtigt. Um derartige Effekte zu vermeiden, wurden von den Herstel­ lern verschiedene, neuartige kinematische Konzepte für fahrerlose Transportsysteme entwickelt. Diese Fahrzeuge zeichnen sich dadurch aus, daß sie über einen oder mehre­ re Drehkränze mit exzentrisch angebrachten Fahreinheiten verfügen (vergleiche a. a. O. JANTZER).

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, ein konstruktiv ein­ fach ausgebildetes und kostengünstig herstellbares fahrerloses Transportsystem zu schaffen, das einen großen Anwendungsbereich aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung sieht vor, daß jeweils zwei Räder ein Antriebsräderpaar bilden, das zwischen den Rädern eines solchen Antriebsräderpaares ein Differentialgetriebe angeordnet ist, welches antriebssei­ tig über eine Antriebswelle mit dem Fahrantrieb verbunden ist und daß alle Antriebsräderpaare beliebiger Anzahl von einem Fahrmotor angetrieben sind.

Bei einem derart ausgebildeten fahrerlosen Transport­ system ist es besonders vorteilhaft, daß zur freien Posi­ tionierung des Transportsystems in der Ebene nur zwei Antriebseinheiten, nämlich ein Fahrantrieb und ein Lenk­ antrieb notwendig sind, wobei bei dem erfindungsgemäßen Transportsystem alle Räder angetrieben und gelenkt sind, so daß zum einen ein sehr guter Vortrieb des Transportsy­ stems gewährleistet ist und zum anderen eine freie Ein­ stellbarkeit der Fahrzeugposition und eine schlupffreie Fahrzeugkursänderung möglich sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß mehrere oder gar alle Antriebsräderpaare eine Lenk­ achse haben, die mit jeweils einem gemeinsamen Lenkmotor verbunden sind. Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Transportsystem vorgesehen, daß die Antriebsräderpaare auf einem Kreisbogen um den Mittelpunkt des Fahrwerks angeordnet sind. Neben einer großen Standfestigkeit eines derartigen Transportsystems wird hierdurch auch die Bewe­ gungsart "reines Drehen" durch Antreiben aller Räderpaare mit dergleichen Fahrantriebswinkelgeschwindigkeit ermög­ licht.

Um die Position und Orientierung der Antriebsräder frei einstellbar zu gestalten, ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß jedes Antriebsräderpaar eine Schaltkupplung aufweist. Derart ausgebildet ist es bei dem fahrerlosen Transportsystem auch mit nur einem Lenkmotor möglich, die Räderpaare gleichsinnig zu ver­ drehen, um Kursänderungen auszuführen, oder die Räder­ paare gegensinnig zu verdrehen, um Bewegungsarten zu wechseln.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transportsystems ist vorgesehen, daß zwischen dem Fahr­ zeugrahmen und dem Fahrwerk eine angetriebene Dreheinheit angeordnet ist. Die Dreheinheit orientiert den Fahrzeug­ rahmen mit der transportierten Nutzlast oder dem darauf angeordneten Werkzeug gegenüber dem Fahrwerk, so daß das Transportsystem neben der freien Positionierbarkeit auch eine freie Einstellbarkeit der Fahrzeugrahmenorientierung (d. h. unabhängig von der Fahrzeugposition) aufweist. Die Dreheinheit bildet somit ein zusätzliches Drehwerk, die dem Transportsystem drei Freiheitsgrade mit nur drei An­ triebseinheiten ermöglicht und macht es somit gleich­ zeitig kinematisch bestimmt. Hierbei hat es sich als vor­ teilhaft erwiesen, den Fahrzeugrahmen um den Mittelpunkt des Fahrwerks verdrehbar zu gestalten. Die Fahrbewegung ist somit nur vom Fahrantrieb, die Bewegungsrichtung nur vom Lenkantrieb und die Fahrzeugorientierung nur vom Drehantrieb abhängig, ohne daß kinematische Kopplungen mit den jeweils anderen Antrieben auftreten. Da die Dreh­ einheit vom Fahrantrieb unabhängig betätigt werden kann, ist es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß das Fahrwerk modular aufgebaut ist, d. h., daß die Dreheinheit als mechanisch separate Einheit gegenüber dem Fahrantrieb und dem Lenkantrieb ausgebildet ist.

Eine einfache Verbindung von Fahrantrieb und Antriebs­ rädern wird dadurch erzielt, daß alle Antriebsräderpaare über vorzugsweise einen Zahnriemen miteinander verbunden sind, der vom Fahrantrieb angetrieben ist. In gleicher Weise ergibt sich eine einfache Verbindung zwischen den Räderpaaren und dem jeweiligen Lenkantrieb dadurch, daß die Lenkachsen der Antriebsräderpaare über vorzugsweise einen Zahnriemen verbunden sind, der vom Lenkantrieb an­ getrieben wird.

Es ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorge­ sehen, daß der Zahnriemen für die Antriebsräderpaare und der Zahnriemen für die Lenkachsen der Antriebsräderpaare in einer zur Aufstandfläche parallelen Ebene angeordnet sind. Um die Geländegängigkeit eines derartigen fahrer­ losen Transportsystems zu verbessern, können beliebig viele Räderpaare an diesen Endlosriemen angeschlossen werden. Ferner ist es zur Verbesserung der Geländegän­ gigkeit vorteilhaft, wenn die Antriebswellen als Keil­ wellen oder dergleichen ausgebildet sind, die eine rela­ tive Bewegung des Räderpaares in Längsrichtung ermög­ lichen, ohne daß die Momentenübertragung beeinträchtigt wird. Eine solche Relativbewegung zum Fahrzeugrahmen dient der Anpassung eines jeden Räderpaares an den Geländeboden. Damit können Bodenunebenheiten bis zum halben Raddurchmesser einfach überfahren werden. Die Geländegängigkeit ergibt sich somit aus der Anordnung von vielen, einzeln angetriebenen und einzeln aufgehängten Räderpaaren. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Antriebswellen arretierbar ausge­ bildet sind, so daß die zuvor beschriebene Relativbewe­ gung unterdrückt werden kann.

Schließlich ist bei einem erfindungsgemäßen Transport­ system vorgesehen, daß die Verbindung zwischen dem Fahrmotor und jedem Antriebsräderpaar schlupffrei erfolgt und daß die Verbindung zwischen dem Lenkmotor und jedem Antriebsräderpaar ebenfalls schlupffrei erfolgt. Hierzu können beispielsweise mechanische Übertragungselemente verwendet werden, wie Wellen, Zahnriemen, Ketten, Hydrau­ likgetriebe sowie deren Kombinationen.

Bei dem erfindungsgemäßen fahrerlosen Transportsystem drehen sich alle Räder bei der Fahrsituation Geradeaus­ fahrt bezüglich Betrag und Vorzeichen gleich. Bei Lenkbe­ wegungen drehen sich die Räder eines Radpaares mit unter­ schiedlichen Fahrantriebswinkelgeschwindigkeiten. Hierzu ist das erfindungsgemäß zwischen den Rädern eines Antriebsräderpaares angeordnete Differentialgetriebe vor­ gesehen. Bei der Fahrsituation "Kursänderung", d. h. lenken ohne Fahrbewegungen, drehen alle Räder mit gleichen Geschwindigkeitsbeträgen, jedoch dreht jeweils eine Hälfte der Räder mit positiven und eine Hälfte der Räder mit negativen Vorzeichen, d. h. von jedem Antriebs­ räderpaar dreht ein Rad mathematisch positiv und ein Rad mathematisch negativ. Ein derartiges Differentialgetriebe ist an sich bekannt und besteht aus Abtriebskegelrädern, die koaxial zu den Achsen der Antriebsräder angeordnet sind. Die Abtriebskegelräder werden von Eingangskegel­ rädern angetrieben, die sich in einer Ebene bewegen, die die Lenkachse enthält. Da die Eingangskegelräder im rechten Winkel zu den Abtriebskegelrädern angeordnet sind, steht demzufolge die Lenkachse vertikal zur Auf­ standfläche.

Im folgenden ist zur weiteren Erläuterung und zum besse­ ren Verständnis der Erfindung ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein schematisch dargestelltes fahrerloses Transportsystem bei Geradeausfahrt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf das fahrerlose Transport­ system gemäß Fig. 1 bei einer Drehung um seinen Mittelpunkt und

Fig. 3 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer Antriebseinheit des fahrerlosen Transportsystems gemäß den Fig. 1 und 2.

Eine in den Figuren dargestelltes fahrerloses Transport­ system 1 besteht im wesentlichen aus einem Fahrzeugrahmen 2 und einem Fahrwerk 3 mit vier an der Unterseite des Fahrzeugrahmens 2 angeordneten Antriebsräderpaaren 4, deren Konstruktion nachfolgend noch genauer beschrieben wird.

In der Fig. 3 ist ein derartiges Antriebsräderpaar 4 dargestellt. Es besteht aus zwei Antriebsrädern 5, die jeweils einen Achsstummel 6 aufweisen, welche in einem gemeinsamen Differentialgetriebe 7 enden.

Das Differentialgetriebe 7 ist in einem Getriebegehäuse 8 angeordnet und besteht in bekannterweise aus zwei Ab­ triebskegelrädern 9 und 10, die drehfest mit den Achs­ stummeln 6 verbunden sind. Im rechten Winkel zu den Abtriebskegelrädern 9 und 10 sind zwei Eingangskegelräder 11 und 12 angeordnet, wobei diese Eingangskegelräder 11 und 12 mit einem Kegel-Umlaufrad 13 des Differential­ getriebes 7 verbunden sind und antriebsseitig mit einem Kegelrad 14 kämmen, welches ebenfalls mit dem Differen­ tialgetriebe 7 in dem Getriebegehäuse 8 angeordnet ist. Das Kegelrad ist drehbar um eine Achse 15 im Getriebe­ gehäuse 8 angeordnet und wird über einen Zahnriemen 16, der mit einem ebenfalls auf der Achse 15 drehfest ange­ ordneten, nicht dargestellten Zahnrad kämmt um seine Achse gedreht. Der Zahnriemen 16, welcher ebenfalls innerhalb des Getriebegehäuses 8 angeordnet ist, wird von einem auf einer Fahrantriebswelle 17 aufgesetzten, nicht dargestellten Zahnrad angetrieben. Die Fahrantriebswelle 17 ist koaxial zu den Eingangskegelrädern 11 und 12 an­ geordnet und verläuft in einer hohlen Lenkantriebswelle 18, die drehfest mit dem Getriebegehäuse 8 verbunden und verdrehbar im Fahrzeugrahmen 2 gelagert ist.

Die Fahrantriebswelle 17 durchgreift somit das Getriebe­ gehäuse 8 und den Fahrzeugrahmen 2 sowie die Lenk­ antriebswelle 18. Am freien Ende der Fahrantriebswelle 17, welches dem innerhalb des Getriebegehäuses 8 ange­ ordneten Endes der Fahrantriebswelle 17 gegenüberliegt, weist die Fahrantriebswelle 17 ein weiteres drehfest mit der Fahrantriebswelle 17 verbundenes, nicht dargestelltes Zahnrad auf, welches über einen Zahnriemen 19 von einem nicht dargestellten Antriebsmotor angetrieben wird. Dem­ zufolge erfolgt der Antrieb der Antriebsräder 5 über den Zahnriemen 19, der das Drehmoment des Antriebsmotors auf die Fahrantriebswelle 17 überträgt, welche wiederum das Drehmoment über den Zahnriemen 16 auf das Kegelrad 14 und somit auf das Kegel-Umlaufrad 13 des Differentialgetrie­ bes 7 überträgt. Von hier aus wird das Drehmoment des An­ triebsmotors über die Eingangskegelräder 11 und 12 und die Abtriebskegelräder 9 und 10 auf die Antriebsräder 5 des Antriebsräderpaares 4 übertragen, so daß sich das Transportsystem 1 auf eine Aufstandfläche 20 fortbewegt.

Die Lenkbewegungen des Antriebsräderpaares 4 erfolgen durch Verdrehen der Lenkantriebswelle 18 relativ zum Fahrzeugrahmen 2, wodurch das Getriebegehäuse 8 ebenfalls relativ zum Fahrzeugrahmen 2 verdreht wird. Die als Hohl­ welle ausgebildete Lenkantriebswelle 18 weist an ihrem Außenumfang einen drehfest mit der Lenkantriebswelle 18 verbundene, nicht dargestellten Zahnkranz auf, der mit einem Zahnriemen 21 kämmt, welcher von einem nicht darge­ stellten Lenkmotor angetrieben wird.

Es ist in Fig. 3 erkennbar, daß der Zahnriemen 21 für die Verdrehung der Lenkantriebswelle 18 und der Zahn­ riemen 19 für den Antrieb der Antriebsräderpaare in einer zur Aufstandfläche 20 parallelen Ebene angeordnet sind.

In der Fig. 1 ist das Transportsystem 1 in einer Stel­ lung für Geradeausfahrt dargestellt. Hierbei sind alle Antriebsräder 5 der Antriebsräderpaare 4 parallel zuein­ ander angeordnet, wobei die Antriebsräder 5 mit gleicher Drehzahl angetrieben werden.

In der Fig. 2 ist eine Stellung des Transportsystems 1 dargestellt, in der das Transportsystem 1 auf der Stelle dreht. Das Transportsystem 1 verharrt in seiner Position und ändert ausschließlich seine Orientierung. Hierzu sind die Antriebsräder 5 diametral gegenüberliegender An­ triebsräderpaare 4 parallel zueinander angeordnet, wobei jeweils die Antriebsräder 5 von zwei Antriebsräderpaaren 4 mit ihren Achsen senkrecht zu den Achsen der Antriebs­ räder 5 der beiden anderen Antriebsräderpaare 4 angeord­ net sind. Demnach stehen die Antriebsräderpaare tangen­ tial zum Fahrwerksmittelpunkt M, wobei alle äußeren und alle inneren Antriebsräder 5 jeweils gleichschnell drehen und die äußeren Antriebsräder 5 eines jeden Antriebs­ räderpaares 4 schneller drehen als die inneren Antriebs­ räder 5 desselben Antriebsräderpaares 4.

Bei einer weiteren Bewegungsart, die dem sogenannten "Hundegang" entspricht, verharrt das Transportsystem 1 in seiner Orientierung und ändert ausschließlich seine Posi­ tion auf einem Kreisbogen mit sich änderndem Lenkwinkel. Der Lenkwinkel wird dabei stetig so verändert, daß die Antriebsräderpaare 4 immer alle tangential zum jeweiligen Kreismittelpunkt stehen. Um Lenkbewegungen auf der Stelle auszuführen, verharrt das Transportsystem 1 in seiner Position und in seiner Orientierung. Die Fahrerantriebs­ winkelgeschwindigkeit, d. h. die Drehzahl der Antriebs­ räder 5 ist Null. Hierbei findet lediglich eine reine Lenkbewegung dadurch statt, daß die Getriebegehäuse 8 der einzelnen Antriebsräderpaare 4 relativ zum Fahrzeugrahmen 2 verdreht werden.

Claims (13)

1. Fahrerloses Transportsystem mit einem Fahrzeugrahmen, einem Fahrwerk mit beliebig vielen, jedoch zumindest drei Rädern oder dergleichen, zumindest einem Fahr­ antrieb und zumindest einem Lenkantrieb,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils zwei Räder (5) ein Antriebsräderpaar (4) bilden,
daß zwischen den Rädern (5) eines Antriebsräderpaares (4) ein Differentialgetriebe (7) angeordnet ist, wel­ ches antriebsseitig über eine Antriebswelle (17) mit dem Fahrantrieb verbunden ist und
daß alle Räder (5) der Antriebsräderpaare (4) von einem Fahrmotor angetrieben sind.

2. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, u. U. alle Antriebsräderpaare (4) je­ weils eine Lenkachse (18) haben, die mit einem Lenk­ motor verbunden sind.

3. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsräderpaare (4) auf einem Kreisbogen um den Mittelpunkt (M) des Fahrwerks (3) angeordnet sind.

4. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebsräderpaare (4) Schaltkupplungen auf­ weisen, mit denen die Orientierung und der Drehsinn der Antriebsräderpaare (4) zueinander einstellbar sind.

5. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fahrzeugrahmen (2) und dem Fahrwerk (3) eine angetriebene Dreheinheit angeordnet ist.

6. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrzeugrahmen (2) um den Mittelpunkt (M) des Fahrwerks (3) verdrehbar ist.

7. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrwerk (3) modular aufgebaut ist, so daß die Dreheinheit vom Fahrantrieb unabhängig ist.

8. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Antriebsräderpaare (4) über vorzugsweise einen Zahnriemen (19) miteinander verbunden sind.

9. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkachsen (18) der Antriebsräderpaare (4) über vorzugsweise einen Zahnriemen (21) miteinander verbunden sind.

10. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 8 und nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnriemen (19) der Antriebsräderpaare (4) und der Zahnriemen (21) für die Lenkachsen (18) der Antriebsräderpaare (4) in einer zur Aufstandfläche (20) parallelen Ebene angeordnet sind.

11. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Fahrmotor und jedem Antriebsräderpaar (4) schlupffrei erfolgt.

12. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Lenkmotor und jedem Antriebsräderpaar (4) schlupffrei erfolgt.

13. Fahrerloses Transportsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Antriebswelle als Keilwelle oder dergleichen ausgebildet ist, die eine vertikale Relativbewegung zum Ausgleich von Bodenunebenheiten ermöglicht.