Fahrzeug

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug, insbesondere für Roboter, Staubsauger, Rajsenmäher oder dgl., mit einem Fahrgestell, das durch mindestens drei an diesem angebrachten Rädern auf dem Untergrund abgestützt ist, mit den einzelnen Rädern jeweils zugeordneten Antriebsmotoren und mit mindestens einer Steuereinrichtung, durch die die Antriebsmotoren getrennt voneinander und/oder gemeinsam aktivierbar sind sowie auf ein Verfahren zur Steuerung des Fahrzeuges nach den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 12.

Derart angetriebene Fahrzeuge werden mittels eines sogenannten omnidirektionalen Antriebssystems gesteuert, bei dem am Fahrgestell drei starre Achsen in einem Winkel vop 120° zueinander befestigt sind und an denen jeweils ein Rad drehbar angelenkt ist. Aus dem Rad ragen eine Vielzahl von Wälzkörpern, beispielsweise Zylinder, deren Symmetrieachsen parallel zu der Laufrichtung des jeweiligen Rades angeordnet sind, wird nunmehr ein Antriebsmotor aktiviert, so zieht dieses Rad die beiden anderen Räder über die Oberfläche des Untergrundes. Die aus dem Rad der beiden nicht angetriebenen Räder herausragenden Wälzkörper rutschen oder rollen dabei über die Oberfläche des Untergrundes ab, und zwar in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Untergrundes und/oder der Fahrtrichtung des Fahrzeuges.

Aufgrund der unterschiedlichen Aktivierungsmöglichkeiten der Antriebsmotoren kann die Richtung des Fahrzeuges bestimmt werden. Des Weiteren ist auch eine begrenzte Kurvenfahrt mit einem bestimmten vorgegebenen Radius möglich, wenn die drei Räder in

entsprechender weise und mit jeweils einem zu berechnenden Vorwärts- bzw. Rückwärtstrieb angetrieben werden.

Als nachteilig bei solchen omnidirektional gesteuerten Fahrzeugen hat sich herausgestellt, dass die Bewegungsmöglichkeiten des Fahrzeuges äußerst begrenzt sind. Beispielsweise kann das Fahrzeug während der Fahrt nur unzureichend gelenkt werden, da die Lenkbewegungen entgegen der Reibkraft von mindestens einem Rad erfolgt, wodurch der Wirkungsgrad des Fahrzeugantriebes reduziert wird. Bei der Geradeausfahrt des Fahrzeuges kann dieser verringerte Wirkungsgrad des Antriebes besonders deutlich festgestellt werden, denn zwei der drei Räder rutschen über den Untergrund und lediglich ein Rad treibt das Fahrzeug an. Es entsteht demnach eine erhöhte Bremskraft, die vom AnI rieb überwunden werden muß.

i Bei Fahrzeugen mit einer starren Achse dagegen ist zur Ausrichtung des Fahrzeuges eine bestimmte Vorwärtsbewegung notwendig, wodurch die Verfahrbarkeit bzw. die Rangiermöglichkeit des Fahrzeuges erheblich eingeschränkt ist. Wenn beispielsweise das Fahrzeug in einer Ecke, die von zwei Wänden gebildet ist, ankommt, kann dieses nicht entlang der jeweils anderen Wand weiter abgefahren werden, da die Ausrichtung der

Räder eine solche Bewegung ausschließt.

Feriner kann das Fahrzeug mit einem omnidirektionalen Antriebssystem ausschließlich auf einem Untergrund eingesetzt und betrieben werden, der eine bestimmte vorgegebene Reibung aufweist. Wenn nämlich der Reibungs-Quotifizient des Untergrundes zu niedrig

ist, rutschen die Antriebsräder durch, so dass keine Vorwärtsbewegung möglich ist. Ist dagegen der Reibungs-Quotifizienten des Untergrundes derart hoch bemessen, beispielsweise bei einer sehr rauen Oberfläche oder einer entsprechenden Steigung, verhindern die nicht angetriebenen Räder eine Vorwärtsbewegung, denn diese wirken als Bremse der Vorwärtsbewegung entgegen.

Ein Fahrzeug mit einem omnidirektionalen Antriebssystem kann daher nur in einem eng begrenzten Einsatzbereich verwendet werden. Die Steuerungsmöglichkeiten sind eingeschränkt, da die Geradeausfahrt sowie die Kurvenfahrt und die zu erzielenden j Kurvenradien während der Fahrt den Antriebswirkungsgrad erheblich beeinträchtigen.

Ferner sind die zur Ausrichtung der Bewegung notwendigen Verfahrensschritte äußerst koπjφlex und schwierig, denn die benötigten Informationen müssen durch komplizierte

I mathematische Gleichungen berechnet werden.

Des Weiteren ist aus der EP 1 532 855 A1 ein Rasenmäher zu entnehmen, an dessen Fahrgestell drei Räder angebracht sind. Die Räder sind jeweils über eine Radachse an dem Fahrgestell abgestützt, die senkrecht zu dem Untergrund verläuft. Die Radachse und der Mittelpunkt des Rades liegen dabei in einer gemeinsamen Ebene, so dass der

Drehpunkt jedes Rades ebenfalls in dieser gemeinsamen Ebene angeordnet ist. Jedes Rad ist mit einem Antriebsmotor und einer Steuereinrichtung trieblich verbunden, so dass die Auslenkung der Räder durch die drei Steuereinrichtungen koordiniert zueinander erfolgt.

Als nachteilig bei dieser bekannten Steuerung hat sich herausgestellt, dass eine definierte vorgegebene Bewegung des Rasenmähers ausschließlich dadurch erreicht wird, dass die i Steuereinrichtung für jedes Rad zugeschaltet ist, da ansonsten die Räder unkontrollierbar und damit nicht berechenbar ausgelenkt werden, sobald das Fahrzeug bewegt wird. Eine definierte und Hindernisse beachtende Fahrweise des Fahrzeuges kann durch die konstruktive Anordnung der Räder am Fahrgestell selbsttätig nicht erzielt werden, da die Drehachse jedes Rades fluchtend zu dem jeweiligen Radmittelpunkt verläuft. Die Steuereinrichtung wirkt auf die Auslenkung der Räder unabhängig von dem

Eine solche Veränderung der Auslenkrichtung bzw. des Auslenkwinkels der Auslegearme kann sowohl im ruhenden Zustand des Fahrzeuges als auch während der Fahrt des Fahrzeuges vorgenommen werden. Beispielsweise können die Räder um 90° gedreht werden, wenn das Fahrzeug entlang einer Wand fährt und diese in einem Eckbereich in eine andere Wand übergeht. Folglich entfallen zeitaufwendige und komplizierte Rar giereinstellungen. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, dass das Fahrzeug während der Bewegung in seiner Ausrichtung verändert wird, sondern die Ausrichtung der Räder kann unabhängig von der Bewegungsart des Fahrzeuges vorgenommen werden.

Die Ausrichtung der Auslegearme und der damit verbundenen Position der Räder erfolgt somit unmittelbar über die von jedem der Antriebsmotoren zur Verfügung gestellten Drehmomente. Durch die Richtung der von den Antriebsmotoren übertragenen Drehmomente ändert sich demnach auch die Winkelposition der Auslegearme.

In der Zeichnung sind vier erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dargestellt, die nachfolgend näher erläutert werden. Im einzelnen zeigt:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Fahrzeuges mit einem Fahrgestell, an dem vier Auslegearme verschwenkbar angebracht sind, durch die jeweils ein Rad und ein mit diesem triebverbundener Antriebsmotor gehalten ist, in perspektivischer Ansicht,

Figur 2 das Fahrzeug gemäß Figur 1 in Draufsicht, in dem die elektrische

Schaltung der einzelnen zur Steuerung der Bewegung des Fahrzeugs notwendigen Bauteile schematisch dargestellt ist,

Figur 3 das Fahrzeug gemäß Figur 2 mit einer bestimmten Auslenkung der Radachsen,

Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fahrzeuges, das eine starre Achse aufweist, in Draufsicht,

Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Fahrzeuges in Draufsicht, das eine starre Achse aufweist, die um einen Anlenkpunkt drehbar an dem Fahrgestell des Fahrzeuges angebracht ist, und

Figur 6 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Fahrzeuges in Draufsicht mit einem zwei Räder verbindenden Lenkgestänge.

Aus Figur 1 ist ein auf dem Untergrund 2 eines Raumes verfahrbar angeordnetes Fahrzeug 1 zu entnehmen, dessen Ausgestaltung schematisiert dargestellt ist. Das Fahrzeug 1 weist nämlich ein Fahrgestell 3 auf, auf dem ein Roboter, Staubsauger, Rasenmäher oder dgl. aufgesetzt sein kann. Das Fahrzeug 1 soll dabei selbständig und/oder über eine Fernbedienung manuell von außen steuerbar sein.

An dem rechteckförmigen Fahrgestellt 3 sind in dessen vier Eckbereichen jeweils ein

Auslegearm 11 angebracht. Die Auslegearme 11 bestehen aus zwei Profilschienen 31 und 32, die L-förmig zueinander ausgerichtet sind. Die erste Pofilschiene 31 des Auslegearmes 11 verläuft dabei parallel zu der Unterseite des Fahrgestelles 3 und ist über eine Welle 12 am Fahrgestell 3 verschwenkbar um 360° gehalten. Die Welle 12 wird in zwei Lagern 14 drehbar abgestützt, die in einer am Fahrgestell 3 angebrachten Hülse 13 angeordnet sind. In der Hülse 13 ist für jede Welle 12 ferner eine Bremse 15 vorgesehen, durch die die Position der Welle 12 und damit des Auslegearmes 11 fest eingestellt werden kann oder aber die Bewegungen des Auslegearmes 11 und der Welle 12 werden durch die Bremse 15 gedämpft.

An der zweiten Profilschiene 32 des Auslegearmes 11 ist ein Rad 4 drehbar angebracht, das trieblich mit einem Antriebsmotor 7 verbunden ist. Somit wird auch der Antriebsmotor 7 ah der Profilschiene 32 des Auslegearms 11 abgestützt und verläuft parallel zu der ersten Profilschiene 31. Der Antriebsmotor 7 bildet zusammen mit dem Mittelpunkt des jeweiligen Rades 4 eine Radachse 6, die demnach senkrecht zu der von der Welle 12 gebildeten Verschwenkachse 5 verläuft.

Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung der Auslegearme 11 wird erreicht, dass der Rotationsmittelpunkt jedes Rades 4 beabstandet ist zu der Drehachse 5 der Welle 12. Eine solche Radaufhängung ermöglicht die Steuerung bzw. Auslenkung jedes Rades 4 um dessen Drehachse 5 ausschließlich mittels der Drehmomentübertragung durch den jeweiligen Antriebsmotor 7.

Auf der Außenseite der Hülse 13 ist eine Drehscheibe 17 fest mit der Welle 12 verbunden, in der zur Messung der Winkelstellung der Welle 12 Bohrungen eingearbeitet sind. Seitlich neben der Drehscheibe 17 ist ein am Fahrgestell 3 abgestützter Encoder 16 angebracht, durch den optisch die Bewegungsrichtungen der Drehscheibe 17 gemessen werden. Auch jedem Antriebsmotor 7 ist eine Drehscheibe 17 und ein Encoder 16 zugeordnet, durch die die Drehzahlen und die Drehrichtungen des Antriebsmotors 7 und damit des jeweiligen Rades 4 überwacht werden.

Die derart erzeugten Signale werden elektrisch einer Steuereinrichtung 21 zugeführt, in der beispielsweise ein Mikroprozessor und/oder ein Softwareprogramm integriert ist, durch das die Bewegungssignale der jeweiligen Encoder 16 mathematisch in die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Fahrzeuges 1 umgerechnet werden. Damit kann von der Steuereinrichtung 21 selbständig eine Ortsbestimmung vorgenommen und die Bewegungsrichtung für das Fahrzeug 1 voprgegeben werden.

Des Weiteren sind am Fahrgestell 3 ein GPS-Empfänger 23 und eine Kamera 24 angebracht, durch die zum einen die Position des Fahrzeuges 1 über Satellitennavigation ermittelbar ist und zum anderen durch die Kamera 24 erkannt werden kann, inwieweit Hindernisse, die in der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges 1 liegen, umfahren werden können.

Aus Figur 2 ist der Schaltplan und damit die elektrische Betriebsweise des Fahrzeuges 1 ersichtlich. Sämtliche von den Encodern 16 erzeugten elektrischen Signale werden über eine ¹ Vielzahl von elektrischen Leitungen 22 der Steuereinrichtung 21 zugeführt. Durch die

am Fahrgestell 3 abgestützten Akkumulatoren 8 wird die Steuereinrichtung 21 und über diese die Antriebsmotoren 7 mit Strom gespeist. Den Akkumulatoren 8 kann wahlweise zu i deren Aufladung ein Solarfeld oder ein elektrischer Anschluss zugeordnet sein.

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Ausgehend von der in Figur 1 gezeigten Position des Fahrzeuges 1 soll nunmehr durch die! Steuereinrichtung 21 eine Auslenkung der Auslegearme 11 vorgenommen werden. Im stehenden Zustand des Fahrzeuges 1 wird daher durch die Steuereinrichtung 21 der Aniriebsmotor 7 des linken vorderen Rades 4 zeitweise mit einem bestimmten

Die ¹ Kamera 24 sendet Signale an die Steuereinrichtung 21 , so dass durch die Steuereinrichtung 21 ermittelbar ist, inwieweit Hindernisse die Bewegungsrichtung des Fahrzeuges 1 beeinträchtigen. Durch den GPS-Empfänger 23 kann die übereinstimmung der tatsächlichen Position des Fahrzeuges 1 verglichen werden mit den von der

Steuereinrichtung 21 aufgrund der durch die Encoder 16 erhaltenen elektrischen Informationen und gegebenenfalls kann durch die Steuereinrichtung 21 eine Anpassung vorgenommen werden. Durch die Steuereinrichtung 21 können auch die an der Welle 12 des jeweiligen Rades 4 vorgesehenen Bremsen 15 aktiviert werden, so dass die Wellen 12 in einer vorgegebenen Position fest gehalten sind oder aber, dass zumindest die Bewegung der Welle 12 durch die Bremsen 15 gedämpft wird.

In Figur 4 ist ein Fahrzeug 1 ' gezeigt, das eine starre Achse 18 aufweist. Die Auslenkungsmöglichkeiten und die damit verbundene Rangierleistung des Fahrzeuges 1 ist eingeschränkt. Allerdings wird durch die starre Achse 18 erreicht, dass das Fahrzeug 1 insgesamt eine stabilere Laufruhe besitzt, denn die mit der starren Achse 18 verbundenen Räd Ier 4 halten das Fahrzeug 1 in einer voreingestellten Position.

Figur 5 ist zu entnehmen, dass die starre Achse 18 zweiteilig ausgebildet und um einen Anlenkpunkt 19 verschwenkbar am Fahrgestell 3 gehalten ist. Somit können auch die beiden an der starren Achse 18 angebrachten Räder um den Anlenkpunkt 19 verschwenkt werden.

In Figur 6 ist gezeigt, dass zwei gegenüberliegende Auslegearme 11 durch ein

Len <gestänge 20 miteinander verbunden sind, wodurch die Auslenkungsgeschwindigkeit und die Auslenkungsposition der beiden derart miteinander verbundenen Auslegearme 11 synchronisiert ist. Jede der in den Figuren 1 bis 6 beschriebenen Anbringungsmöglichkeiten der Räder 4 am Fahrgestell 3 kann miteinander beliebig kombiniert werden.