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KOMPAKTE ANTRIEBSMODULEFÜR OMNI-DIREKTIONALEROBOTERPLATTFORMEN
Ausgangssituation
Mobile Roboter sollen in naher Zukunft ver-
mehrt auch in Alltagsumgebungen einge-
setzt werden. Um Engstellen zügig passieren
und Zielpositionen sicher anfahren zu kön-
nen, müssen sie über ausreichende Manö -
vrierfähigkeit verfügen.
Die meisten kommerziell verfügbaren Platt -
formen nutzen bisher Differentialantriebe
oder Dreiradkinematiken. Diese haben je -
doch den Nachteil, dass mit ihnen eine
Orientierungsänderung während des Fahrens
und insbesondere ein Fahren seitwärts nicht
möglich sind.
Erst der Einsatz omnidirektionaler Antriebe
bietet die geforderte Flexibilität.
Unsere Lösung
Das Fraunhofer IPA hat ein neuartiges omni-
direktionales Antriebskonzept entwickelt,
das die Flexibilität von Standardrädern mit
der Manövrierfähigkeit omnidirektionaler
Antriebe vereint. Die modular gebauten,
kompakten Fahr-Dreh-Module können für
alle Roboteranwendungen vom Haushalts -
roboter bis zu fahrerlosen Transportsyste men
verwendet werden.
Fahreigenschaften
Die Nutzung mehrerer angetriebener und
gleichzeitig gelenkter Räder hat gegenüber
herkömmlichen Spezialrädern wie z. B.
Mecanum-Rädern einige wichtige Vorteile:
So ist ein sicherer Vortrieb auch bei glattem
oder gar losem Untergrund gewährleistet.
Durch die große Kontaktfläche mit dem
Boden lassen sich hohe Traglasten und ein
ruhiger, geräuscharmer Lauf realisieren. Da -
rüber hinaus können Material und Elastizität
1 Eingebaute Antriebsmodule
mit Lenkmotor.
2 Omnidirektionale
Transportplattform.
© Fraunhofer IPA 05.12/03.14300/389
Fraunhofer-Institut für Produk tions -
technik und Automatisierung IPA
Nobelstraße 12
70569 Stuttgart
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Theo Jacobs
Telefon +49 711 970-1339
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Dipl.-Ing.Stefan Dörr
Telefon +49 711 970-1907
[email protected]
www.ipa.fraunhofer.de
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PRODUKTIONSTECHNIK UND AUTOMATISIERUNG IPA
der Reifen leicht an den jeweiligen Einsatz -
bereich angepasst werden.
Aufbau des Antriebs
Entscheidende Faktoren für den Aufbau
einer kompakten mobilen Plattform sind die
vom Boden aus gemessene Höhe des ein-
gesetzten Fahr-Dreh-Moduls und der be nö-
tigte Raum für eine volle Umdrehung um
die Hochachse. Um hier gute Werte zu er -
reichen, wird ein Nabenantrieb mit inte-
grierter Getriebeeinheit verwendet. Dieser
fasst Motor, Resolver, Bremse und Planeten -
getriebe in einem Gehäuse zusammen. Der
Abtrieb erfolgt über eine zentrisch auf der
Drehachse angeordnete Reifenbandage.
Der Regler für den Servo-Direktantrieb und
die für die Ansteuerung der Bremse nötige
Elek tronik sind in den Schaft des Fahr-Dreh-
Moduls integriert, so dass auch hier Bau -
raum gespart wird.
Die Anschlüsse für die Stromversorgung
(48 V Leistungs- und Logikspannung) und
die CAN-Bus-Schnittstelle werden mit Hilfe
einer Drehdurchführung oben aus dem Fahr-
Dreh-Modul herausgeführt. Dies ermöglicht
beliebige Lenkbewegungen ohne ein Ver -
drillen der Kabel. Zur Lenkung des Antriebs -
moduls wird ein externer Servomotor ver-
wendet. Der Antrieb erfolgt über einen
Riemen am Schaft des Moduls.
Eine weitere Besonderheit der Antriebs -
module stellt die integrierte Federung dar.
Sie schützt die im Schaft enthaltene Regler-
elektronik und den gesamten Aufbau des
Roboters vor Stößen und verbessert den
Kontakt zwischen Rad und Boden.
Leistungsdaten
Ein einzelnes Antriebsmodul ist für Traglasten
zwischen 40 kg und 65 kg geeignet: Für
die Integration in eine kompakte, omni-
direktionale Roboterplattform sind die vier
verwendeten Fahr-Dreh-Module möglichst
kompakt, verfügen aber dennoch über die
nötige Leistung zum Antrieb der Plattform.
Die Getriebeübersetzung der Antriebsmo -
toren liegt dabei bei 21, das Spitzen moment
bei 40 Nm. So können Geschwin digkeiten
bis 1,5 m/s erreicht werden. Die Lenk an -
triebe verfügen über ein Spitzen moment
von 9 Nm.
Modularität und Skalierbarkeit
Durch ihre modulare Bauweise erlauben die
kompakten Fahr-Dreh-Module die Konstruk -
tion beliebiger omnidirektionaler Plattformen
nach dem Baukastenprinzip. Durch die Wahl
einer anderen Getriebeübersetzung kann
das Verhältnis zwischen Drehzahl und Dreh -
moment auf den jeweiligen Anwendungs -
fall angepasst werden. Bei Bedarf ist selbst-
verständlich auch die Verwendung stärkerer
Antriebsmotoren in der Radnabe möglich.
Referenzprojekte
Therapieroboter
Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines
mobilen Therapieroboters, mit dem z. B.
Schlaganfallpatienten wieder das Laufen
erlernen können. Der Roboter fährt hinter
der zu therapierenden Person her und stützt
diese, wenn sie das Gleichgewicht verliert.
Der Einsatz omnidirektionaler Antriebsmo dule
erlaubt eine optimale Anpassung an die
Laufbewegungen des Patienten.
Care-O-bot® 3
Care-O-bot® 3 ist der Prototyp eines Service -
roboters zur Unterstützung des Menschen
in häuslicher Umgebung. Um sich auch in
engen Räumen sicher bewegen zu können,
ist der Roboter mit omnidirektionalen
Antrieben ausgestattet.
rob@work 3
rob@work 3 wurde als flexibler Assistenz -
roboter für Produktionsumgebungen konzi-
piert. Mit seinem flexiblen, omnidirektiona-
len Fahr werk kann er sich dabei optimal an
verschiedene Arbeitsumgebungen anpassen.
Unser Leistungsangebot
Das Fraunhofer IPA unterstützt Sie in Kon -
zeption und Aufbau individueller Fahr-
Dreh-Module oder kompletter omnidirek-
tionaler Plattformen für Ihre Anwendung:
• Individuelle Anforderungsanalyse,
Beratung und Einsatzplanung
• Konzeption und Konfiguration geeig-
neter Fahr-Dreh-Module
• Einsatzspezifische Ausrüstung von
Plattformen mit den benötigten An-
triebsmodulen
3 Einbaumaße eines Antriebsmoduls.
4 Assistenzroboter rob@work.
5 Haushaltsassistenz Care-O-bot® 3.
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