Modularer Roboter

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen modularen Roboter, insbesondere für den Einsatz in der Landwirtschaft.

Der Einsatz von Robotertechnik in der Landwirtschaft ist beispielsweise aus dem US-Patent US6671582B1 , aus der internationalen Patentanmeldung W02006/063314A2 und der US-Patentanmeldung US2015/142250A1 bekannt.

Das Projekt Xaver der AGCO GmbH betrifft den Einsatz von Robotern in der Landwirtschaft. Hierbei weist jeder einer Vielzahl von eingesetzten Robotern seine eigene integrierte Pflanzeinheit auf. Die Roboter sind elektrisch angetrieben und kommunizieren mit einer Logistikeinheit erfolgt über eine Cloud.

Das Unternehmen Clearpath Robotics, Inc. aus Kanada bietet unter der Bezeichnung „Warthog“ eine mobile Roboterplattform an, die für den Einsatz in der Landwirtschaft geeignet ist und mit verschiedenen Modulen flexibel an unterschiedliche Einsatzzwecke angepasst werden kann.

Das Projekt „AgriApps“ des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA betrifft Agrarroboter, die mit austauschbaren applikationsspezifischen Sensoren und Aktoren an den jeweiligen Einsatzzweck in der Landwirtschaft angepasst werden können.

Das Unternehmen NAIO TECHNOLOGIES aus Frankreich bietet ebenfalls Roboter für den Einsatz in der Landwirtschaft an, insbesondere einen Roboter zum Jäten von Weinbergen. Information zu diesem Roboter sind im Internet unter der URL https://www.naio-technologies.com/en/agricultural- equipment/vineyard-weeding-robot/ abrufbar. Ein für den Einsatz in der Landwirtschaft vorgesehener und vom Unternehmen Saga Robotics aus Norwegen angebotener Roboter ist unter der Bezeichnung Thorvald bekannt, siehe die dazu im Internet unter der URL https://sagarobotics.com/pages/thorvald-platform abrufbaren Informationen. Diese Roboter-Plattform kann in ihren Abmessungen flexibel an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden. Beispielsweise werden von dem Roboter eine dreirädrige Version, eine insbesondere für den Einsatz in engen Gewächshäusern geeignete schmale und niedrige Version, eine Differentialantriebsversion sowie eine Standardversion angeboten. Breite und Länge des Roboters sind einfach konfigurierbar durch den Einsatz von Aluminiumrohren.

Nachfolgend wird nun ein modularer Roboter, insbesondere für den Einsatz in der Landwirtschaft, beschrieben.

Der hierin offenbarte modulare Roboter umfasst eine Antriebsplattform, die folgende Module aufweist: ein erstes seitliches Antriebsmodul, das mindestens zwei Räder und mindestens einen Motor zum Antreiben mindestens eines der Räder aufweist, ein zweites seitliches Antriebsmodul, das mindestens ein Rad und mindestens einen Motor zum Antreiben des mindestens einen Rads aufweist, ein vorderes Querträgermodul zum Verbinden von ersten Enden des ersten und zweiten seitlichen Antriebsmoduls, und ein hinteres Querträgermodul zum Verbinden von ersten Enden des ersten und zweiten seitlichen Antriebsmoduls. Eines der beiden seitlichen Antriebsmodule weist eine Steuereinheit zum Ansteuern der Motoren der beiden seitlichen Antriebsmodule auf. Die beiden Antriebsmodule weisen an ihren jeweiligen Enden erste Verbindungsvorrichtungen und die beiden Querträgermodule im Bereich ihrer jeweiligen Enden zweite

Verbindungsvorrichtungen auf, und die ersten und zweiten

Verbindungsvorrichtungen weisen mechanische Verbindungsmittel auf. Mindestens eines der beiden Antriebsmodule weist mindestens eine Andockvorrichtung zum Andocken einer Anwendungseinheit auf der Antriebsplattform auf, und die mindestens eine Andockvorrichtung weist mechanische und/oder elektrische Verbindungsmittel auf. Die ersten und zweiten Verbindungsvorrichtungen können zudem elektrische Verbindungsmittel aufweisen. Dies ermöglicht beispielsweise die Versorgung von elektrischen Einheiten in den Querträgermodulen und/oder den seitlichen Antriebsmodulen mit elektrischer Energie. Die elektrischen Verbindungsmittel können auch zum Verbinden von Signalübertragungsleitungen genutzt werden.

Mindestens eines der beiden Querträgermodule kann mindestens einen Sensor aufweisen, insbesondere einen Radar-, Lidar-, Sonar-Sensor, eine Kamera. Abhängig vom Einsatzzweck des Roboters ermöglicht dies die Verwendung von mit entsprechenden Sensoren ausgestatteten Querträgermodulen. Beispielsweise kann ein Querträgermodul mit einem Radar-Sensor zu Abstandmessung eingesetzt werden. Wenn es auf um eine Objektdetektion geht, kann beispielsweise ein Querträgermodul mit einem Lidar-Sensor und/oder einer Kamera eingesetzt werden. Beim Einsatz des Roboters im Wasser kann ein Querträgermodul mit einem Sonar-Sensor zum Erkennen von Hindernissen verwendet werden.

Die mechanischen Verbindungsmittel der ersten und zweiten Verbindungsvorrichtungen sind insbesondere derart ausgebildet, dass sie nur eine vorgegebene Verbindung eines Querträgermoduls mit einem seitlichen Antriebsmodul ermöglichen. Dadurch kann verhindert werden, dass die Module des Roboters falsch zusammengesetzt werden, beispielsweise ein Querträgermodule verdreht an den seitlichen Antriebsmodulen montiert wird.

Insbesondere weisen die mechanischen Verbindungsmittel drei oder mehr Zapfenverbindungen auf, von denen mindestens eine Zapfenverbindung nicht auf einer Verbindungsgeraden der Zapfenverbindungen angeordnet ist. Diese Anordnung der Zapfenverbindung stellt eine mit relativ wenigen mechanischen Mitteln umsetzbare Maßnahme für eine vorgegebene Verbindung des Querträgermoduls mit seitlichen Antriebsmodulen dar.

Die Steuereinheit kann derart ausgebildet sein, dass sie sich bei Inbetriebnahme und nach Zusammenbau der Antriebsplattform aus den Modulen automatisch konfiguriert, indem sie ermittelt, aus welche Arten von seitlichen Antriebsmodulen und Querträgermodulen die Antriebsplattform zusammengesetzt ist, und davon abhängig die Ansteuerung von elektrischen Komponenten der Module, insbesondere der Motoren der Antriebsmodule konfiguriert. Beispielsweise kann die Steuereinheit Kennungen der einzelnen Module des Roboters ermitteln, und anhand der ermittelten Kennungen die Ansteuerung der elektrischen Komponenten der Module konfigurieren. Bei einem mit mehreren Sensoren ausgestatteten Querträgermodul kann die Steuereinheit beispielsweise automatisch die Sensortypen ermitteln und entsprechende Softwarekomponenten zur Ansteuerung der ermittelten Sensortypen laden. Insbesondere kann die Steuereinheit die in den seitlichen Antriebseinheiten verwendeten Motoren ermitteln, und davon abhängig ihre Ansteuerung einstellen.

Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, mit elektrischen Komponenten drahtlos und/oder drahtgebunden über Datenübertragungsleitungen in den Antriebsmodulen und Querträgermodulen zu kommunizieren. Eine drahtlose Kommunikation hat den Vorteil, dass keine Signalleitungen in den Modulen für die Datenübertragung erforderlich sind. Eine drahtgebundene Datenübertragung ist vor allem dann von Vorteil, wenn es auf eine möglichst zuverlässige Übertragung ankommt, insbesondere beim Einsatz des Roboters in Umgebungen, in denen ein ungestörte Funkübertragung nicht mit der erforderlichen Zuverlässigkeit gewährleistet werden kann,

Mindestens eines der beiden Antriebsmodule kann einen Energiespeicher zum Betreiben des Motors oder der Motoren des Antriebsmoduls aufweisen. Als Energiespeiche können im Fall von Elektromotoren beispielsweise Batterien, insbesondere wiederaufladbare Batterien oder auch Brennstoffzellen eingesetzt werden.

Die Räder der seitlichen Antriebsmodule können eine fest vorgegeben Ausrichtung besitzen, und die Steuereinheit kann derart zum Ansteuern der Motoren der seitlichen Antriebsmodule ausgebildet sein, dass Kurvenfahrten des Roboters durch eine entsprechende Drehzahlsteuerung der Motoren der seitlichen Antriebseinheiten erfolgt. Hierdurch ist keine aufwendige mechanische oder elektromechanische Lenkvorrichtung erforderlich.

Weiterhin kann die Breite der Antriebsplattform des Roboters durch Einsatz von Querträgermodulen mit einer entsprechenden Länge bestimmt werden. Dadurch kann eine universell einsetzbare Antriebsplattform des modularen Roboters geschaffen werden. Insbesondere wird dadurch ermöglicht, dass die Antriebsplattform auf relativ einfache Art und Weise auf eine gewünschte Spurbreite angepasst werden kann, durch Einsatz von Querträgermodulen mit einer entsprechenden Länge.

Weitere Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines modularen Roboters.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht einschränkend zu verstehen.

In Figur 1 ist die aus mehreren Modulen zusammengesetzte Antriebsplattform eines modularen Roboters 10 dargestellt. Bei den Modulen handelt es sich um zwei Antriebsmodule 12 und 14 und zwei Querträgermodule 16 und 18.

Die beiden Antriebsmodule 12 und 14 sind in Bezug auf die Abmessungen und Formgebung spiegelbildlich symmetrisch aufgebaut und weisen jeweils zwei Räder 120, 122 bzw. 140, 142 auf. Ein Antriebsmodul kann auch nur ein Rad oder auch mehr als zwei Räder aufweisen. Jedes der beiden Antriebsmodule 12 und 14 weist jeweils mindestens einen Motor, insbesondere einen Elektromotor zum Antreiben der Räder auf. Bei dem Antriebsmodul 14 sind schematisch zwei Elektromotoren 141,143 dargestellt, welche jeweils die beiden Räder 140,142 antreiben.

Weiterhin weist nur eines der Antriebsmodule, nämlich das Antriebsmodul 14 eine Steuereinheit 20 auf, die zum Ansteuern der Motoren beider Antriebsmodule 12, 14 vorgesehen ist. Die Steuereinheit 20 kann zudem für weitere Funktionen des Roboters konfiguriert sein, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Schließlich ist im Antriebsmodul 14 noch ein Energiespeicher 24, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie integriert, welche insbesondere Energie zum Betrieb der Motoren 141, 143 des Antriebsmoduls 14 liefert. Auch im Antriebsmodul 12 kann ein solcher Energiespeicher vorgesehen sein. Alternativ können elektrische Einheiten wie ein Motor des Antriebsmoduls 12 auch von dem im Antriebsmodul 14 integrierten Energiespeicher 24 über entsprechende Stromversorgungskabel, die durch einen der beiden Querträgermodule 16,18 verlaufen, mit elektrischer Energie versorgt werden.

Jedes Antriebsmodul 12, 14 weist an ihren jeweiligen Enden 124, 126 bzw. 144, 146 erste Verbindungsvorrichtungen 128 bzw. 148 auf. Die ersten Verbindungsvorrichtungen 128, 148 weisen mechanische Verbindungsmittel 130 bzw. 150 in Form von Zapfen auf, die in dargestellten Ausführungsbeispiel an den Ecken eines Dreiecks angeordnet sind. Weiterhin können die ersten Verbindungsvorrichtungen 128, 148 elektrische

Verbindungsmittel 136 bzw. 156, beispielsweise in Form von elektrischen Steckkontakten aufweisen. Die ersten Verbindungsvorrichtungen 128, 148 dienen vor allem der mechanischen Befestigung der Antriebsmodule 12, 14 an den Querträgermodulen 16, 18. Wenn die ersten

Verbindungsvorrichtungen 128, 148 auch elektrische Verbindungsmittel 136, 156 aufweisen, können darüber elektrische Signale und/oder elektrische Energie übertragen werden. In diesem Fall dienen die ersten Verbindungsvorrichtungen auch als elektrische Schnittstelle zwischen den einzelnen Modulen 12, 14, 16, 18. Insbesondere können über die elektrischen Verbindungsmittel 136, 156 Signale von oder zur Steuereinheit 20 von diversen elektrischen oder elektronischen Bauteilen, die in den Modulen 12, 16, 18 integrierten, über in den Modulen integrierte elektrische Kabel übertragen werden. Beispielsweise können Signale eines im Querträgermodul 16 integrierten Sensors 160 über Kabel und die elektrischen Verbindungsmittel 156 an die Steuereinheit 20 im seitlichen Antriebsmodul 14 zur weiteren Verarbeitung übertragen werden.

Die Querträgermodule 16, 18 dienen vor allem dazu, eine mechanisch stabile Antriebsplattform des Roboters 10 durch eine mechanisch belastbare Verbindung der beiden seitlichen Antriebsmodule 12 und 14 mittels des vorderen Querträgermoduls 16 des hinteren Querträgermoduls 18 zu schaffen. Durch verschiedene Längen der Querträgermodule 16,18 können Antriebsplattformen des Roboters 10 mit unterschiedlichen Spurbreiten geschaffen werden, was insbesondere für den Einsatz in der Landwirtschaft von Vorteil ist, da ohne aufwändige mechanische Verstellmöglichkeiten wie Verschiebevorrichtungen einfach durch Auswechseln der Querträgermodule 16, 18 die Spurbreite der Antriebsplattform auf den entsprechenden Einsatzzweck angepasst werden kann.

Die Querträgermodule 16, 18 können aber auch mit einem oder mehreren Sensoren 160 ausgestattet sein und damit zusätzliche Funktionen des Roboters 10 implementieren. Beispielsweise können als Sensoren Radar-, Lidar-, Sonar-Sensoren und/oder eine Kamera eingesetzt werden, um die Umgebung des Roboters 10 zu erfassen, beispielsweise um beim landwirtschaftlichen Einsatz Hindernisse auf dem Weg des Roboters 10 zu erkennen und diese gegebenenfalls automatisch zu umfahren oder den Roboter 10 automatisch vor einem durch beispielsweise den Sensor 160 erkannten Hindernis rechtzeitig zu stoppen. Dies kann vollautomatisch durch die Steuereinheit 20 erfolgen, die zum Stoppen des Roboters 10 die Motoren 141, 143 entsprechend ansteuern kann.

Weiterhin ist es möglich, dass die Steuereinheit 20 die Motoren 141, 143 derart ansteuert, dass der Roboter 10 um ein erkanntes Hindernis herumfährt, in dem die Drehzahl der Räder 120, 122 oder 140, 142 durch entsprechende Ansteuerung ihrer Antriebsmotoren über die Steuereinheit 20 derart beeinflusst wird, dass der Roboter 10 eine Kurvenfahrt ausführt. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die Antriebsmodule 12, 14 möglichst einfach aufgebaut sein sollen, insbesondere keine mechanische oder elektromechanische Lenkvorrichtung umfassen sollen und die Räder 120, 122 bzw. 140, 142 eine fest vorgegebene Ausrichtung 123 besitzen, also nicht lenkbar sind, wie es bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Um ein möglichst einfaches Auswechseln und einen fehlerfreien Zusammenbau der Module 12, 14, 16, 18 zu gewährleisten, können die Querträgermodule 16, 18 als mechanische Verbindungsmittel Öffnungen 188 zur Aufnahme der Zapfen 130, 150 der Antriebsmodule 12, 14 aufweisen. Zur Montage ist es dann lediglich erforderlich, einen Querträger so zu positionieren, dass eines seiner Enden 180, 182 an das Ende 124, 126, 144, 146 eines Antriebsmoduls so anliegt, dass die Zapfen 130, 150 in die entsprechenden Öffnungen 188 eingreifen und in diesen verriegelt werden können. Elektrische Verbindungsmittel 136, 156 an dem Ende 124, 126, 144, 146 des Antriebsmoduls 12, 14 können ebenfalls elektrisch die entsprechenden elektrischen Verbindungsmittel 190 des Querträgers kontaktieren. Durch die Anordnung der Zapfen 130 an den Ecken eines insbesondere nicht gleichseitigen Dreiecks kann zudem sichergestellt werden, dass das Querträgermodule nur auf eine Art und Weise mit dem Antriebsmodul mechanisch verbunden werden kann.

Die beiden seitlichen Antriebsmodule 12 und 14 weisen zudem jeweils zwei Andockvorrichtungen 132, 134 bzw. 152, 154 auf, die zum Andocken einer Anwendungseinheit (nicht dargestellt) auf der Antriebsplattform vorgesehen sind. Die Andockvorrichtungen 132, 134, 152, 154 können als einfache Ausnehmungen oder Öffnungen zum Einführen und Verriegeln von entsprechenden Befestigungsmitteln einer Anwendungseinheit ausgebildet sein. Sie können zudem elektrische Schnittstellen aufweisen, insbesondere um elektrische Komponenten einer Anwendungseinheit wie Elektromotoren, Aktoren, Sensoren und dergleichen mit elektrischer Energie zu versorgen und/oder zur Daten- und/oder Signalübertragung.

Das hierin beschriebene Konzept eines modularen Roboters bietet insbesondere die nachfolgend aufgeführten Vorteile und Möglichkeiten:

- Ein modulares Konzept basierend auf Submodulen, welche frei kombinierbar sind.

- Submodule: Fahrmodule, die elektrische Antriebe und Räder aufweisen, ggf. ein Energiemodul, das elektrische Energiespeicher aufweist, ggf. ein Sensormodul, das eine Kombination von Sensoren aufweisen kann, ggf. ein Lademodul, das verschiedenen Möglichkeiten zum Aufladen der elektrischen Energiespeicher aufweisen kann, 3rd- party Module können durch Offenlegung der Schnittstellendefinition ebenfalls integriert werden.

- Eine Variation in den Submodulen erlaubt eine noch spezifischere Anpassung an den Anwendungsfall bzw. das Einsatzgebiet (z.B. eine Anpassung auf eine exakte Spurweite durch Auswahl des Fahrmoduls mit passenden Reifen, Auswahl des passenden Sensormoduls für spezifische Aufgabe (z.B. Sensorik zur Erkennung von Unkraut)).

- Die mechanischen und elektrischen Modulschnittstellen können gemäß dem Poka-Yoke Prinzip ausgestaltet sein, so dass die fehlerfreie Zusammenstellung des Gesamtroboters gesichert werden kann.

- Eine automatische Konfiguration der Software der Steuereinheit kann gemäß einer erkannten Zusammensetzung der Module implementiert werden; insbesondere kann eine Kombination der Module von einem in einer Betriebssoftware der Steuereinheit implementierten Algorithmus erkannt werden.

- Eine Aufnahme von unterschiedlichen Anbaugeräten (Arbeitsmodulen) kann durch offene standardisierte Schnittstellen gewährleistet werden.

- Es wird eine Kombination aus einem modularem Roboterkonzept und einer Geräteträgerplattform geschaffen. - Es kann eine insbesondere Sicherheitskonforme, frei konfigurierbare Roboterplattform geschaffen werden, welche die Modulkombination automatisch und selbstständig erkennt.

- Es kann eine Instandsetzung auch durch Anwender ermöglicht werden, die insbesondere kein Experten Know-how erfordert; Module können auf einfache Weise ausgewechselt werden.

- Es kann eine geringe Total-Cost of Ownership durch einfache Wartung erreicht werden.

- Es kann eine Minimierung der Ausfallzeit durch schnelle Instandsetzungsmöglichkeit erreicht werden.