DE10320570B4 | 2005-04-21 | |||
DE10320570B4 | 2005-04-21 |
Patentansprüche 1. Fahrwerk (1) für einen Roboter zum Befahren glatter, gewölbter, fester Flächen mit zwei spiegelsymmetrisch zueinander und parallel zur Fahrfläche im Fahrwerk (1) fest angeordneten und jeweils in sich geschlossenen Bahnführungen, entlang welcher steuerbare Haftmodule (14) hintereinander gereiht so umlaufen, dass ihre bezüglich der Fahrfläche abheb- und absetzbaren Haftfüße (15) stets zur Fahrfläche weisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die einzelnen Haftmodule (14) jeweils eigene steuerbare Hub- und Fahrantriebe besitzen. 2. Fahrwerk gemäß Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jedes Haftmodul (14) einen von einem moduleigenen Elektromotor (22) antreibbaren kombinierten Hub- und Fahrantrieb aufweist. 3. Fahrwerk gemäß Anspruch 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine automatisch steuerbare Umschaltung von Hub- auf Fahrbetrieb für jedes einzelne Haftmodul (14) . 4. Fahrwerk gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen stufenlosen Hub- und Fahrbetrieb für jedes einzelne Haftmodul (14) . 5. Fahrwerk gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Bahnführungen eines Fahrwerks (1) aus zwei parallel zueinander angeordneten Geradführungen mit angeschlossenen Teilkreisführungen bestehen, welche auf einem gedachten Vollkreis liegen, der die Geradführungen einschließt. 6. Fahrwerk gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass lediglich auf den Geradführungen abgesenkt und gleichsinnig laufende Haftfüße (15) der Haftmodule (14) ein Geradeausfahren (Vorwärtsfahren, Rückwärtsfahren) des Fahrwerks (1) ermöglichen, während lediglich auf den Teilkreisführungen abgesenkt und gleichsinnig laufende Haftfüße (15) der Haftmodule (14) ein Drehen (Uhrzeigersinn, Gegenuhrzeigersinn) des Fahrwerks (1) ermöglichen. 7. Fahrwerk gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Bahnführungen aus Führungsschienen (16, 17) bestehen, zu denen begleitend Zahnschienen (18) installiert sind, in welche von den Fahrantr ieben angetriebene Zahnräder (21) der Haftmodule (14) eingreifen. 8. Fahrwerk gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Haftmodule (14) mittels Saugkraft oder elektromagnetischer Kraft auf einer Fahr fläche haften. 9. Fahrwerk gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Fahrwerk (1) einen fernsteuerbaren Fahrflächen- Reinigungsgerät (2) trägt. 10. Fahrwerk gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Fahrwerk (1) ein allein oder zusätzlich ein fernsteuerbares Inspektionsgerät oder einen fernsteuerbaren Manipulator trägt. |
Fahrwerk für einen Roboter
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Fahrwerk für einen Roboter zum Befahren glatter, gewölbter, fester Flächen, wie
beispielsweise Glasfassaden, Metallfassaden, Glasdächer oder Metallwände zum Zwecke einer Inspektion, Reinigung oder
War tung .
Stand der Technik
Aus der gattungsbildenden DE 103 20 570 B4 ist ein
selbstkletterndes Fahrwerk für Fassaden, insbesondere
Glasfassaden, bekannt, welches einen Antrieb aus Endlosreihen steuerbarer Sauger aufweist. Die Sauger laufen in der
Fahr ebene des Fahrwerks auf zwei jeweils in sich geschlossenen und mechanisch miteinander verbundenen Bahnführungen um, wobei die Saugseiten der Sauger stets zur Fahr ebene weisen. Hierzu sind die Sauger untereinander mit einem Triebmittel, wie eine Kette oder ein Zahnriemen, welcher motorisch angetrieben wird, in einem festen Abstand zueinander verbunden. Die Zugmittel sorgen für einen synchronen Umlauf aller Sauger je
Bahnführung. Eine pneumatische Saugersteuerung ist für einen einheitlichen Hub der Sauger ausgelegt. Das Fahrwerk ist infolge des Umlaufs der Sauger in der Fahrebene vorteilhaft flach, wodurch sich sein Schwerpunkt nahe der Fahrfläche befindet, was einem Abkippen von einer z. B. vertikalen Wand vermeiden hilft. Weiterhin ist es sehr gut lenkbar und
ermöglicht es, kleinere Hindernisse, wie Glasprofilstäbe oder Befestigungslaschen, zu überwinden.
Nachteilig an dem Fahrwerk ist, dass sich stärker gewölbte Flächen nur bedingt befahren lassen, da infolge des
einheitlich festgelegten Saugerhubes und festen Saugerabstan- des Sauger entweder in der Luft hängen oder das Fahrwerk ausstemmen können. Eine Sensorik überwacht absturzgefährdende Zustände und bringt ggf. das Fahrwerk zum Stillstand. Die Fahrgeschwindigkeit ist infolge des zeitaufwändigen Befahrens der Umlenkpunkte recht gering und die Eigenmasse infolge seiner durchgängig pneumatischen Steuerung ist relativ hoch. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrwerk für einen Roboter zu schaffen, das flach und massearm ist, wenig störanfällig ist, eine gute Lenkfähigkeit besitzt, kleinere Hindernisse und negative als auch positive Bodenwellen
überwinden kann sowie eine akzeptable Fahrgeschwindigkeit entwickeln kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
Indem alle Haftmodule sowohl was ihre Bewegung entlang ihrer Bahnführungen als auch ihren Hub betrifft einzeln und
stufenlos automatisch ansteuerbar sind, ergeben sich
vielfältige Vorteile für das Fahrwerk und einen mit dem
Fahrwerk realisierten Roboter im Betrieb. Das Fahrwerk ist besonders flach und massearm, wenig störanfällig, besitzt eine ausgezeichnete Lenkfähigkeit, ist relativ schnell und ist in der Lage, kleinere Hindernisse und stärkere Bodenwellen oder Absätze zu überklettern. Die Erfindung soll mitsamt ihren Vorteilen nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Aufzählung der Zeichnungen
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen hierzu:
Fig. 1 einen Roboter, speziell zur Reinigung glatter, fester
Oberflächen, in perspektivischer Ansicht von oben
Fig. 2 den Roboter in perspektivischer Ansicht von unten Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau einer Bahnführung für
Haftmodule Fig. 4 ein Haftmodul 13 von seiner Innenseite her in perspektivischer Ansicht,
Fig. 5 ein Haftmodul 13 von seiner Außenseite her in
perspektivischer Ansicht,
Fig. 6 den Reinigungsroboter in der Draufsicht von unten mit gleichmäßig verteilten Haftmodulen,
Fig. 7 bis Fig.10 verschiedene Fahrbetriebsweisen,
Fig. 11 den Reinigungsroboter in der Draufsicht,
Fig. 12 den Reinigungsroboter in einer Seitenansicht, Fig. 13 den Reinigungsroboter mit Blick auf das
Reinigungsgerät von vorn und
Fig. 14 den Reinigungsroboter mit Blick auf das Fahrwerk von vorn. Ausführung der Erfindung
Ein gemäß Fig. 1 gezeigter Roboter ist zum Beispiel geeignet, um Glasfassaden oder andere feste, glatte, gewölbte
Oberflächen von Bauwerken zu reinigen. Hierzu trägt sein Fahrwerk 1 ein Reinigungsgerät 2 in Vorbauweise, aufweisend eine Reinigungsbürste 3, eine Spritzschutzhaube 4, eine
Verstellwelle 5 zur Höhenverstellung der Reinigungsbürste 3, gefasst von einem beidseitigem Halter 6 und Stützräder 7. Die Zuführung von Reinigungsflüssigkeit zum Reinigungsgerät 2 erfolgt über einen hochflexiblen Multifunktionsschlauch 8 und das Fahrwerk 1. Es liegt im Schutzbereich der Erfindung, anstelle eines Reinigungsgerätes 2 ein anderes oder weiteres Vorbaugerät an das Fahrwerk 1 anzuschließen, beispielsweise eine Inspektionskamera oder einen fernsteuerbaren Manipulator für Wartungs- und Reparatur aufgaben .
Das Fahrwerk 1 hat einen Tragrahmen 9 aus steifem Lochband. Innerhalb des Tragrahmens 9 sind zwei Baugruppen 10, 11 befestigt. Die erste Baugruppe 10 enthält eine über eine Antenne 12 funkfernsteuerbar e Einrichtung für die Bedienung. Die zweite Baugruppe 11, an welche der Multifunktionsschlauch 8 angekuppelt ist, enthält weitere Einrichtungen für den
Betrieb. Über den Multifunktionsschlauch 8 wird das Fahrwerk 1 mit Elektrizität, Pneumatik und im Falle eines
Reinigungsroboters zusätzlich mit Reinigungsflüssigkeit von einem geeigneten Standort aus versorgt. Von einem
Ver teileranschluss 13 der zweiten Baugruppe 11 aus werden Haftmodule 14 mit den notwendigen Medien versorgt, deren
Anordnung, Aufbau und Funktion nachstehend noch näher
beschrieben wird. Zunächst sei erwähnt, dass parallel zu einer Fahrfläche des Roboters im Fahrwerk 1 zwei fest angeordnete und jeweils in sich geschlossenen Bahnführungen montiert sind, entlang welcher die Haftmodule 14 hintereinander gereiht so umlaufen, dass ihre bezüglich der Fahrfläche abheb- und absetzbaren Haftfüße 15 stets zur Fahrfläche weisen. Die noch näher zu beschreibenden Bahnführungen bestehen aus zwei parallel zueinander angeordneten Geradführungen mit nach außen angeschlossenen Teilkreisführungen, welche auf einem gedachten Vollkreis liegen, der die inneren Geradführungen einschließt. Zum Vorwärts- oder Rückwärtsfahren des Roboters werden
automatisch gesteuert lediglich die auf den Geradführungen gleichsinnig laufenden Haftfüße 15 abgesenkt und mit Vakuum beaufschlagt, während die auf den Teilkreisführungen laufenden Haftfüße 15 entlüftet und angehoben sind. Zum Drehen des
Roboters im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn werden hingegen automatisch gesteuert lediglich die auf den
Teilkreisführungen gleichsinnig laufenden Haftfüße 15
abgesenkt und mit Vakuum beaufschlagt, während die auf den Geradführungen laufenden Haftfüße 15 entlüftet und angehoben sind.
Fig . 2 zeigt den Reinigungsroboter von seiner Unterseite.
Gleiche Bauteile sind, wie auch durchgehend in den weiteren Figuren, stets mit denselben Bezugszeichen versehen. Die
Haftmodule 14 tragen auf ihrer Unterseite pneumatisch
betätigte Sauger als Haftfüße 15. Alternativ können für die
Haftfüße 15 kleine Elektromagnete vorgesehen sein, sofern der Roboter auf magnetisierbar en Oberflächen fährt. Aus Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau der Bahnführungen für die Haftmodule 14 ersichtlich. Jede der Bahnführungen besteht aus einem Paar U- Prof ilschienen 16, 17, die vertikal
beabstandet eine Führung für Führungsrollen bilden, welche die Haftmodule 14 tragen. Die U- Prof ilschienen 16, 17 sind auf den Ger adführungsabschnitten gestreckt und auf den Abschnitten der Teilkreisbögen entsprechend gebogen, insgesamt aber jeweils in sich geschlossen. Die oberen Profilschienen 16 begleitend sind Zahnschienen 18 installiert, in welche noch darzustellende Zahnräder der Haftmodule 14 zwecks Vortriebs der Haftmodule 14 eingreifen .
In Fig. 4 ist ein einzelnes Haftmodul 14 von seiner Innenseite her in perspektivischer Ansicht dargestellt. Ein Halter 19 trägt die oberen und unteren Paare Führungsrollen 20, von denen die inneren einen gummielastischen Überwurf tragen. Die Führungsrollen 20 greifen in die Profilschienen 16, 17 ein. Weiterhin trägt der Halter 19 ein Zahnrad 21 für den Eingriff in die Zahnstange 18, das von einem Elektromotor 22
angetrieben wird. Fig. 5 zeigt das Haftmodul 14 von seiner Außenseite in
perspektivischer Ansicht. Eine vom Halter 19 getragene Spindel 23 dient dem stufenlosen Absetzen und Abheben des Haftfußes 15 von der Fahr fläche. Weiterhin ist in jedem Haftmodul 14 eine Elektronik 24 untergebracht, welche eine individuelle
Ansteuerung jedes Haftmoduls 14 erlaubt, und zwar sowohl betreffend das Befahren der Haftmodule 14 entlang der
Bahnführungen als auch bezüglich des Hebens und des Senkens der Haftfüße 15. Zu jedem Haftmodul 14 führt ein Medien- Versorgungsschlauch vom Ver teiler anschluss 13 der 2. Baugruppe 11 des Fahrwerks 1 für die Elektronik 24, den Elektromotor 22 und die Haftfüße 14, vorliegend als Saugfüße ausgebildet.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht des Reinigungsroboters auf seine Unterseite. Aus dieser Sicht sind besonders gut die beiden Bahnführungen mit den Profilschienen, von denen nur die untere Profilschiene 17 zu sehen ist, erkennbar. Während die beiden inneren Bahnführungsabschnitte zwecks Geradeausfahrt parallel zueinander verlaufen, bilden die beiden äußeren
Bahnführungsabschnitte Teilkreise eines Vollkreises, um den sich der Roboter drehen kann. Der gegenseitige Abstand der parallelen Bahnführungsabschnitte zueinander ist so gewählt ist, dass sich die Anzahl der Haftmodule 14 auf den geraden Bahnführungsabschnitte und teilkreisartigen
Bahnführungsabschnitte im Wesentlichen gleichmäßig gut verteilt, um sowohl eine sichere Geradeausfahrt als auch ein sicheres Drehen zu gewährleisten. Außerdem berücksichtigt der gegenseitige Abstand der parallelen Bahnführungsabschnitte, dass der Roboter nicht umkippen kann und dass die Baugruppen 10, 11 im Interesse einer flachen Bauweise noch dazwischen passen. Ein um die Teilkreisabschnitte geschlagener Kreis sollte im Durchmesser so groß sein, dass das Fahrwerk 1 für eine sichere Fahrt eine ausreichende Anzahl von Haftmodulen 14 aufnehmen kann. Andererseits sollte ein um die
Teilkreisabschnitte geschlagener Kreis im Durchmesser die Breite des Reinigungsgerätes 2 nicht überschreiten. Im Beispiel laufen auf jeder Bahnführung zwanzig Haftmodule 14, also insgesamt vierzig Haftmodule 14 je Fahrwerk 1, von denen die Halter 18 und Haftfüße 15 zu erkennen sind. In dieser Figur haben die Haftmodule 14 zueinander gleiche
Abstände. Dies ist aber nicht immer vorteilhaft für das
Befahren einer Fahrfläche.
Die Figuren 7 - 10 erläutern hingegen Betriebsweisen, bei denen die Haftmodule 14 mittels einer intelligenten
rechnergestützten Steuerung mindestens teilweise
unterschiedlich zueinander beabstandet sind, wobei auch die Hübe der Haftfüße 15 voneinander verschieden sein können.
So ist es für eine Fahrt mit dem Fahrwerk 1 voran,
vorteilhaft, wenn gemäß Fig. 7 die Haftmodule 14 so
automatisch angesteuert werden, dass die auf den
teilkreisförmigen Bahnabschnitten jeweils befindlichen
entlüfteten und von der Fahr fläche abgehobenen Haftmodule 14 in Richtung der in Fahrtrichtung vorderen Umlenkpunkte
gepuffert werden, indem ihre Abstände zueinander möglichst klein gehalten werden. Dies ist möglich, weil die Haftmodule
14 im Gegensatz zum vorgenannten Stand der Technik nicht synchron von einem umlaufenden Zugmittel bewegt werden, sondern jedes Haftmodul 14 erfindungsgemäß einen eigenen motorischen Antrieb mit dem Elektromotor 22 besitzt. Im
Ergebnis können die in Fahrtrichtung liegenden vorderen
Umlenkpunkte schneller genommen werden, was der
Fahrgeschwindigkeit zugutekommt. Für die rücklaufenden
Haftmodule 14 ist die Zeit, welche sie um die in Fahrtrichtung hinteren Umlenkpunkte benötigen zweitrangig, da ihre Haftfüße
15 automatisch entlüftet und angehoben werden und somit zum Fahren nicht beitragen. Fig. 8 zeigt die Situation bei einer Fahrt mit dem
Reinigungsgerät 2 voran. Ebenfalls werden hier vorteilhaft die abgehobenen Haftmodule 14 in Richtung der in Fahrtrichtung liegenden vorderen Umlenkpunkte gepuffert.
Für eine Drehung gemäß Fig. 9 im Uhrzeigersinn, geschaut auf das Zeichnungsblatt, ist es vorteilhaft, wenn die entlüfteten und abgehobenen Haftmodule 14 auf den Ger adführungsabschnitten in Richtung zum Reinigungsgerät 2 hin gepuffert werden, und für eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn gemäß Fig. 10, wiederum geschaut auf das Zeichnungsblatt, ist es vorteilhaft, wenn die entlüfteten und abgehobenen Haftmodule 14 auf den
Ger adführungsabschnitten in Richtung entgegen dem
Reinigungsgerät 2 hin gepuffert werden.
Immer stehen die als nächstes zum Fahren/Drehen abzusenkenden und mit Vakuum zu beaufschlagenden Haftmodule 14 schneller bereit als bei einer Zugbandbewegung, weshalb der Roboter insgesamt schneller gefahren und gelenkt werden kann. Das Puffern der Haftmodule 14 erfolgt dabei vollautomatisch gesteuert mittels eines Mikroprozessors, welcher die Befehle „Vorwärtsfahrt", „Rückwärtsfahrt" „Rechtsdrehung" „Linksdrehung" erkennt und die Elektromotoren 22 der Haftmodule 14 entsprechend ansteuert.
Beim schrägen Überfahren von länglichen Hindernissen, wie Halteleisten, Abdeckleisten oder dergleichen ist es
zweckmäßig, die Haftmodule 14 vollautomatisch nicht an
Umlenkpunkten zu puffern, sondern beidseitig versetzt
entsprechend dem Schrägwinkel zum Hindernis zwischen
denjenigen Haftmodulen 14, die auf den parallelen
Geradabschnitten laufen, wodurch jeweils eine Lücke von z. B. 40 mm zwischen den aufgesetzten Haftmodulen 14 entsteht. Auf diese Weise können derartige Hindernisse problemlos, und ohne dass der Roboter aufsteigt, überwunden werden. Das Hindernis selbst erkennen am Roboter installierte Sensoren, wie
Abstandstaster oder IR- Sensoren. Mit Hilfe der Sensoren erkennt der Roboter außerdem, ob die Fahr fläche eben, konvex oder konkav gewölbt oder sonst wie wellig ist. Um auch unter nichtplanen Fahrflächen gute
Fahr ergebnisse zu erreichen, sind die Haftfüße 15 der
Haftmodule 14 motorisch stufenlos verstellbar, beispielsweise um 25 mm. Der Mikroprozessor des Roboters wertet die
Sensor signale aus und verstellt, angepasst an die Fahrfläche, individuell die Hübe jedes Haftfußes 15. So kann es nicht geschehen, dass Haftfüße 15, die momentan zur Bewegung des Roboters beitragen, also z. B. bei einer Geradeausfahrt diejenigen Haftfüße 15, die auf den Geradführungen laufen, in der Luft hängen oder den Roboter ausstemmen. Der Roboter bringt also immer genügend viel Haltekraft auf die Fahrfläche. Im Beispiel ist die Haltekraft selbstverständlich auch
abhängig von der Saugkraft, der Beschaffenheit der Fahrfläche und der Konstruktion der Saugfüße. Die automatische Steuerung zur variablen stufenlosen Hubhöhe der Haftfüße 15 kann auch zum Überwinden von Leisten und dergleichen Hindernisse beim Gerade- und Schrägfahren genutzt werden.
Um Gewicht und Baumaterial zu sparen ist im Beispiel
vorgesehen, sowohl für das Bewegen der Haftmodule 14 entlang der Führungsschienen 16, 17 als auch die Hübe der Haftfüße 15 mit nur einem Elektromotor 22 je Haftmodul 14 zu realisieren. Der kombinierte Fahr- und Hubantrieb wird über den
Elektromotor 22, eine nicht sichtbare Hohlwelle und die
Spindel 23 nebst einer automatischen Umsteuerung von
Fahrantrieb auf Hubantrieb erreicht. Die Elektronik 24 in jedem Haftmodul 14 steuert im Zusammenspiel mit dem
Mikroprozessor den Ablauf im Einzelnen.
Selbstverständlich ist es alternativ möglich, für das Bewegen der Haftmodule 14 und das Heben und Senken der Haftfüße 15 jeweils getrennte Aktoren einzusetzen. Diese können
elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch arbeiten.
Das Fahrwerk 1 kann für vielerlei Arbeiten und bauliche
Gegebenheiten eingesetzt werden, ein bevorzugtes
Anwendungsgebiet ist jedoch eine Modifikation als
Reinigungsroboter für schräge und vertikale Glas- und
Metallwände sowie schräge, gewölbte oder unbegehbare Dächer, wobei als Haftfüße 15 pneumatisch angesteuerte Sauger oder elektrisch angesteuerte Elektr omagnete dienen können. Ein solcher Reinigungsroboter ist in den Figuren 11 bis 14 nochmals in der Draufsicht von oben, in der Seitenansicht, in der Stirnansicht auf das Reinigungsgerät 2 und in der
Stirnansicht auf das Fahrwerk 1 dargestellt. Alle
erfindungswesentlichen Bauteile sind bereits zu den
vorstehenden Figuren beschrieben worden. Aus den Figuren 12 und 14 sind insbesondere die Reihenanordnungen abgesetzter und abgehobener Haftfüße 15 ersichtlich. Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Fahrwerk eines Roboters
2 Reinigungsgerät
3 Reinigungsbür ste
4 Spr itzschutzhaube
5 Ver stellwelle
6 Halter
7 Stützrad
8 Multifunktionsschlauch
9 Tragrahmen
10 1. Baugruppe
11 2. Baugruppe
12 Antenne
13 Veteiler anschluss
14 Haftmodul
15 Haftfuß
16 obere Führungsschiene einer Bahnführung
17 untere Führungsschiene einer Bahnführung
18 Zahnschiene
19 Halter
20 Führungsrollen
21 Zahnrad
22 Elektromotor
23 Spindel
24 Elektronik
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