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  1. Erweiterte Patentsuche
VeröffentlichungsnummerDE10196992 B4
PublikationstypErteilung
AnmeldenummerDE2001196992
PCT-NummerPCT/SE2001/002676
Veröffentlichungsdatum15. Sept. 2016
Eingetragen4. Dez. 2001
Prioritätsdatum4. Dez. 2000
Auch veröffentlicht unterDE10196992T5, US7082350, US20040015266, WO2002045914A1
Veröffentlichungsnummer01196992, 2001196992, DE 10196992 B4, DE 10196992B4, DE-B4-10196992, DE01196992, DE10196992 B4, DE10196992B4, DE2001196992, PCT/2001/2676, PCT/SE/1/002676, PCT/SE/1/02676, PCT/SE/2001/002676, PCT/SE/2001/02676, PCT/SE1/002676, PCT/SE1/02676, PCT/SE1002676, PCT/SE102676, PCT/SE2001/002676, PCT/SE2001/02676, PCT/SE2001002676, PCT/SE200102676
ErfinderHans Skoog
AntragstellerRobcab Ab
Zitat exportierenBiBTeX, EndNote, RefMan
Externe Links: DPMA, Espacenet
Robotersystem
DE 10196992 B4
Zusammenfassung
Autonomer mobiler Roboter (1) mit Rädern, der wenigstens einen Radantriebsmotor, einen eingebauten Computer; Tragmittel, die nur aus einem einzigen Paar koaxial angetriebener Räder (2) zusammengesetzt sind, ein Pendelschwingungsausgleichssystem, und ein Lenk- und Antriebssystem umfasst, das das Pendelschwingungsausgleichssystem überlagert, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter umfasst:
Mittel zur Navigation, Ausrichtung und Manövrierung in einer Umgebung mit beweglichen Hindernissen;
ein Sensorsystem; und ...
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Ansprüche(21)
  1. Autonomer mobiler Roboter (1) mit Rädern, der wenigstens einen Radantriebsmotor, einen eingebauten Computer; Tragmittel, die nur aus einem einzigen Paar koaxial angetriebener Räder (2) zusammengesetzt sind, ein Pendelschwingungsausgleichssystem, und ein Lenk- und Antriebssystem umfasst, das das Pendelschwingungsausgleichssystem überlagert, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter umfasst: Mittel zur Navigation, Ausrichtung und Manövrierung in einer Umgebung mit beweglichen Hindernissen; ein Sensorsystem; und ein drahtloses Kommunikationssystem zum Empfangen und Senden, wobei der autonome mobile Roboter (1) derart selbst-geregelt ist, dass sich der Roboter in einer gegebenen Reihenfolge selbst managt, um einen Weg zu einem Zielort zu finden und eine angeordnete Tätigkeit durchzuführen und wobei der autonome mobile Roboter einen Prozessor und Speichermittel enthält, wobei der Speicher Strategien zur Navigation, Ausrichtung, Manövrierung, Kommunikation sowie eine Strategie zur Vermeidung von Kollisionen bereithält.
  2. Mobiler Roboter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt des Roboters über der Koachse des einzigen Paars koaxialer Räder liegt.
  3. Mobiler Roboter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt des Roboters unter der Koachse des einzigen Paars koaxialer Räder liegt und dass das Pendelschwingungausgleichssystem angeordnet ist, um eine übermäßige Schwingung abzuschwächen.
  4. Mobiler Roboter gemäß einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelschwingungsausgleichssystem angeordnet ist, um den Schwerpunkt des Roboters im Wesentlichen vertikal über der Kontaktlinie (c) zwischen dem einzigen Paar Antriebsräder und einer darunterliegenden Oberfläche zu erhalten, auch wenn die Oberfläche nicht eben ist.
  5. Mobiler Roboter gemäß Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter bei einem Abstand von der Koachse mit wenigstens einem abwärts gebundenen, feststehenden Träger bereitgestellt ist, der angeordnet ist, um normal mit der darunterliegenden Oberfläche außer Kontakt zu bleiben, wenn der Roboter im stehenden Gleichgewicht ist, aber mit der darunterliegenden Oberfläche in Kontakt kommt, sollte der Roboter das Gleichgewicht verlieren, wobei dadurch verhindert wird, dass der Roboter umkippt.
  6. Mobiler Roboter gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter ebenfalls einen Kupplungsanhängevorrichtungsrahmen (14) zur autonomen selektiven mechanischen und/oder elektrischen Kupplung mit und Auskupplung aus einer Vielzahl von verschiedenen austauschbaren Gerätemodulen mit Rädern enthält.
  7. Mobiler Roboter gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsanhängevorrichtung ein mechanisches Greifmittel (5, 6) enthält, das eine Kupplung mit einem Gerätemodul (3a) mit einem einzigen Paar Räder (8) errichten kann, das ein freies Schwenken zwischen dem Roboter und dem Gerätemodul um die vertikale Achse (z), die durch die Roboter-Gerätekupplung durchgeht, aber kein Schwenken zwischen dem Roboter und dem Gerätemodul um die Querachse (y) erlaubt, die durch die Roboter-Gerätekupplung durchgeht.
  8. Mobiler Roboter gemäß einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsanhängevorrichtung ein mechanisches Greifmittel (5, 6) enthält, das eine Kupplung mit einem Gerätemodul (3b) mit einem vorderen Paar freilaufender, drehbarer Rädern (10) und einem hinteren Paar freilaufender, nicht-drehbarer Rädern (9) errichten kann, das ein freies Schwenken zwischen dem Roboter (1) und dem Gerätemodul (3b) um die vertikale Achse (z) erlaubt, die durch die Roboter-Gerätekupplung durchgeht, die ein im Wesentlichen feststehende Höhe zwischen den drehbaren Rädern (10) und der Kupplung aufrecht erhält.
  9. Mobiler Roboter gemäß einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsanhängevorrichtung (4) ein mechanisches Greifmittel (5, 6) enthält, das eine Kupplung mit einem Gerätemodul (3c) mit zwei Paaren freilaufender, drehbarer Räder (10, 12) errichten kann, das kein Schwenken um die vertikale Achse (z) erlaubt, die durch die Roboter-Gerätekupplung durchgeht.
  10. Mobiler Roboter gemäß einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsanhängevorrichtung zwei beabstandete mechanische Greifmittel (5, 6) enthält, die in einer feststehenden beabstandeten Beziehung in einer Ebene normal zu einer Längsachse (x) rotierbar sind, die durch den Roboter durchgeht.
  11. Mobiler Roboter gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsanhängevorrichtungsrahmen (14) um eine vertikale Achse (a) geschwenkt ist, die durch den Mittelpunkt zwischen dem einzigen Paar Antriebsräder durchgeht.
  12. Mobiles Robotersystem zur Ausführung einer Vielzahl von separaten Tätigkeiten, das wenigstens einen autonomen mobilen Roboter (1) mit Rädern enthält, der wenigstens einen Radantriebsmotor, einen eingebauten Computer; Mittel zur Navigation, Ausrichtung und Manövrierung in einer Umgebung mit beweglichen Hindernissen; ein Sensorsystem; und ein drahtloses Kommunikationssystem zum Empfangen und Senden von Signalen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter Tragmittel, die nur aus einem einzigen Paar koaxial angetriebener Räder (2) zusammengesetzt sind, ein Pendelschwingungsausgleichssystem, ein Lenk- und Antriebssystem enthält, das das Pendelschwingungsausgleichssystem überlagert und dass das Robotersystem ebenfalls eine Vielzahl von andockbaren Betriebsmodulen (3a–c) enthält, die mit dem autonomen mobilen Roboter selektiv kuppelbar sind, um eine Betriebseinheit zu bilden.
  13. Robotersystem gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelschwingungsausgleichssystem automatisch deaktiviert wird, wenn der Roboter mit einem Gerätemodul mit Rädern gekuppelt wird, worauf das Lenk- und Antriebssystem den Transport der Betriebseinheit steuert.
  14. Robotersystem gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Pendelschwingungsausgleichssystem automatisch aktiviert wird, wenn der Roboter aus einem Gerätemodul mit Rädern ausgekuppelt wird.
  15. Robotersystem gemäß irgendeinem der Ansprüche 12–14, dadurch gekennzeichnet, dass der autonome mobile Roboter mit wenigstens einem Paar rückwärts ausgerichteter Sensoren bereitgestellt ist, die an beiden Seiten des autonomen mobilen Roboters oder seines Kupplungsanhängevorrichtungsrahmens seitlich angebracht sind, wodurch die Ausrichtung, Länge und Position eines Gerätemoduls und umgebender Hindernisse gefühlt und durch die eingebaute Zentraleinheit verarbeitet werden.
  16. Robotersystem gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die rückwärts ausgerichteten Sensoren seitlich ausziehbar angebracht sind, um sich jenseits der Breite des Gerätemoduls zu erstrecken, das mit dem autonomen mobilen Roboter gekuppelt ist.
  17. Verfahren zur Roboterausführung, das eine Vielzahl von getrennten Tätigkeiten mittels eines mobilen Robotersystems einschließt, das wenigstens einen autonomen mobilen Roboter (1) mit Rädern enthält, der wenigstens einen Radantriebsmotor; einen eingebauten Computer; Mittel zur Navigation, Ausrichtung und Manövrierung in einer Umgebung mit beweglichen Hindernissen; ein Sensorsystem; und ein drahtloses Kommunikationssystem zum Empfangen und Senden von Signalen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsmodul (3) in einem Modulspeicher für eine vorbestimmte Tätigkeit ausgewählt wird, der Roboter an das Betriebsmodul andockt und eine Betriebseinheit bildet, die Betriebseinheit sich selbst zu einem angeordneten Ort durch die Intelligenz des Roboters transportiert, die Tätigkeit durch das Betriebsmodul an dem Ort durchgeführt wird, die Betriebseinheit zu dem Modulspeicher zurückkehrt, wo der Roboter und das Betriebsmodul ausgedockt werden.
  18. Computerprogrammprodukt, das ein Softwareprogramm einschließt, das Anweisungen für einen Computer enthält, um ein Verfahren gemäß Anspruch 17 auszuführen.
  19. Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 18, das wenigstens teilweise über ein Netzwerk wie das Internet geliefert wird.
  20. Computer-lesbares Medium, das ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 18 enthält.
  21. Verwendung eines mobilen Roboters gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–11, eines mobilen Systems gemäß irgendeinem der Ansprüche 12–16, oder eines Verfahrens gemäß Anspruch 17 für Transporte in einer bevölkerten Umgebung.
Beschreibung
  • Technisches Gebiet
  • [0001]
    Die vorliegende Erfindung betrifft ein Robotersystem, das einen automatischen Roboter mit Rädern enthält, und insbesondere ein System, das einen autonomen Roboter mit eingebauten Datenverarbeitungs-, Sensor-, Lenkungs- und Kommunikationsmitteln einschließt. Insbesondere enthält ein derartiges System einen autonomen Roboter, der per se zur Verwendung in einem derartigen System geeignet ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren, das Tätigkeiten mit Hilfe eines autonomen Roboters ausführt, ein Computersoftwareprodukt, um das Verfahren durchzuführen, sowie eine besondere Verwendung eines derartigen Robotersystems. In diesem Kontext soll ein Roboter ein mobiler Roboter und präziser ein mobiler Roboter mit Rädern bedeuten. Der Ausdruck autonomer Roboter meint hier nachstehend einen Roboter, der derart selbst-geregelt ist, dass sich der Roboter in einer gegebenen Reihenfolge selbst managt, um seinen Weg zu einem Zielort zu finden und eine angeordnete Tätigkeit durchzuführen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • [0002]
    Mobile Roboter sind seit einiger Zeit sowohl in dem Science-Fiction-Bereich und nun in der realen Welt bekannt. Eine erste Kategorie derartiger Roboter werden manuell gesteuert. Von einem feststehenden, von dem Roboter getrennten Ort wird er durch Draht- oder drahtlose Kommunikation gesteuert, um Tätigkeiten durchzuführen, die für einen Menschen manchmal gefährlich sind. Eine zweite Kategorie dieser Roboter werden automatisch gesteuert. In einem ersten Aspekt werden diese Roboter angeordnet, um einer Spur automatisch zu folgen, die manchmal unsichtbar ist. Ein derartiger Roboter trägt Mittel zu Lenken entlang einer vordefinierten Spur. In einem zweiten, hochentwickelteren Aspekt dieser mobilen Roboter sind sie mit einem eingebauten Computer bzw. Bordcomputer ausgestattet, durch den sie Aufgaben selbstständig durch eine vorprogrammierte Berechnung durchführen.
  • [0003]
    Unter den automatischen Robotern gibt es insbesondere zwei Arten: den Spur-findenden Roboter und den Grenz-findenden Roboter oder Kombinationen der zwei. Der Spur-findende Roboter trägt Mittel zum Finden einer Spur, die in den meisten Fällen ein unterirdischer Draht ist, der ein Magnetfeld ausstrahlt. In einer noch anderen Ausführungsform dieses Systems enthält das Spur-findende Mittel ein Navigationssystem, von dem der Roboter die vorbestimmte Spur herausfindet. Der Grenz-findende Roboter ist typischerweise ein automatischer Rasenmäher oder ein automatischer Staubsauger. Diese Roboter tragen manchmal ein halbautonomes System, um seinen Wege und den Ort zum Batteriewiederaufladen zu finden. Sie tragen normalerweise einen eingebauten Computer, der programmiert ist, die Planung der Bahnen zum effizienten Rasenmähen oder Staubsaugen zu organisieren. Die nur selbst-regelnden Entscheidungen, die durchzuführen sind, ist folglich ein Wegdrehen, wenn ein Hindernis davor vorsteht oder wenn der Roboter die Grenze des Tätigkeitsbereichs erreicht hat. Diese Roboter sind ausgelegt, nur eine entworfene Tätigkeit auszuführen, und können nicht für andere Tätigkeiten verwendet werden. Obwohl diese Roboter sehr kostspielig herzustellen sind, stehen sie die meiste Zeit inaktiv herum. Es besteht folglich ein Bedarf an einem selbst-geregelten Roboter, der eine Vielzahl von Tätigkeiten ausführt.
  • [0004]
    Automatisierte gelenkte Fahrzeuge (AGV), wie beispielsweise ein automatischer Gabelstapler, werden herkömmlich zum Aufnehmen und Fördern von Waren oder Teilen in einer Örtlichkeit, wie beispielsweise ein Warenlager oder eine Fabrik, verwendet. Diese Fahrzeuge werden im Allgemeinen von Bodengleitschienen oder Spuren gelenkt. Fahrzeuge dieser Art sind speziell für spezifisches Bergungstransportierungs- und für Ablegaufgaben hergestellt. Ein System, das eine Vielzahl derartiger automatisierter gelenkter Fahrzeuge einschließt, ist oft kostspielig. Es weist einen begrenzten Nutzen auf und ist nur realisierbar, wenn eine Aufgabe große Anzahl von Malen ausgeführt werden muss. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn eine manuelle Ausführung weniger zuverlässig, extrem kostspielig oder gefährlich für Menschen ist. Aufgrund der Kosten und Schwierigkeit des Installieren eines derartigen Systems sowie Sicherheits- und Hindernisberücksichtigungen, haben sie nicht eine sehr weitverbreitete Verwendung außerhalb der verarbeitenden Industrie gefunden.
  • [0005]
    In anderen Bereichen wurde Bedienungsrobotern ein größeres Interesse in den letzten Jahren entgegengebracht. Ein Beispiel ist ein mit Kamera und Sensor ausgestatteter Roboter, der für Sicherheitspatrouillen ausgelegt ist. Andere sind ausgelegt, um Explosivstoffe zu zerstören, während wieder ein anderer ausgelegt ist, ein Führer zu sein. Roboter dieser Art sind ausgelegt, Brief- und Warenboten, Hoteldiener und ebenfalls Gepäckabnehmer zu sein. Andere Roboter sind speziell ausgelegt, um Aufgaben in gefährlichen radioaktiven Umgebungen auszuführen. Jeder dieser bekannten Roboter ist für eine spezifische Tätigkeit oder eine begrenzte Anzahl von nah verwandten Tätigkeiten ausgelegt. Es wurden Versuche unternommen, um eine Vielzahl von Tätigkeitsmöglichkeiten in nur einem Roboter zu vereinigen. Ein derartiger Roboter muss dann zu jeder Zeit eine Ausrüstung zur Ausführung verschiedener Tätigkeiten herum schleppen, doch nur ein Stück dieser Ausrüstung wird bei einer Zeit verwendet. Dies führt zu schweren und ungeschickten Robotern, die viel Strom benötigen.
  • [0006]
    Aus US 5 324 948 A ist bereits eine Vorrichtung zur Ausführung von Strahlenüberwachungen bekannt. Die Aufgabe der Vorrichtung, die ein autonomer Roboter ist, ist es, die Überwachung auszuschließen, die durch manuelles Scannen ausgeführt wird. Es wird folglich ein autonomer Roboter bereitgestellt, der durch drahtlose Übertragung von einem feststehenden Hostcomputer geleitet wird, um eine Überwachung entlang einer vordefinierten Bahn auszuführen. Auf einen Betriebsbefehl des Gehens „von Punkt a zu Punkt b” sieht das Programm in dem Hostcomputer seine Datenbank von Funktionsdateien durch, um eine Bahn zwischen den Punkten zu finden. Der Hostcomputer lädt dann den die effizienteste Bahn auf dem Roboter herunter, der einen eingebauten Computer aufweist. Sobald die Bahn herunter geladen ist, wirkt der Roboter autonom, bis er das Ende der Bahn erreicht. Die Umgebung, wo der Roboter betrieben wird, ist typischerweise aus wohl definierten, ungehinderten, glatten Oberflächen hergestellt.
  • [0007]
    Die tatsächliche Bahnplanung wird durch einen Hostcomputer, nicht durch den Roboter durchgeführt. Um den Roboter zu programmieren, definiert der Betreiber zuerst gültige Punkte in dem Bereich, wo der Roboter zu betreiben ist. Dann findet der Roboter automatisch seinen Weg entlang der Bahn mit der Hilfe von Sensoren, die an dem Roboter angebracht sind. Weil die Aktionen des Roboters immer vorprogrammiert sind, kann der Roboter nicht als autonom, sondern lediglich als automatisch, angesehen werden. Es gibt keine Beispiele, wo der Roboter sein eigene Wahl trifft, wohin zu gehen ist. Alle seiner Aktionen sind im Voraus programmiert.
  • [0008]
    Der bekannte Roboter ist nur für eine Tätigkeit entworfen. Wenn der Roboter nicht in Gebrauch ist, ruht er an einer Andockstation, wo er wieder aufgeladen wird. Es wird folglich eine enorme Menge an Geld auf ein Produkt verwendet, das die meiste Zeit ruht und dem kein Kredit gewährt wird. Die Ausführung bzw. Leistung ist ebenfalls seht schlecht. Die normale Geschwindigkeit des Roboters ist etwa 9 Meter/Stunde.
  • [0009]
    Roboter mit Rädern sind normalerweise zum Transport auf flachen und glatten Oberflächen ausgelegt. In einer offenen Umgebung, wie beispielsweise im Freien, ist die Topographie statt dessen rauh und enthält Hänge sowie Hügel. Um in derartigen Umgebungen gut zu funktionieren, muss der Roboter große Räder und einen niedrigen Schwerpunkt aufweisen. Sogar dann können rauhe Oberflächen ein Problem darstellen, wenn der Roboter mehr als drei Räder aufweist. Ein oder eine Vielzahl der Räder wird dann von dem Boden gehoben, wenn sich der Roboter bewegt. Dies führt zu anderen Problemen, wie beispielsweise steckenbleiben oder nicht in der Lage zu sein, die Navigationsspur zu halten. Der normale Zugang, um dieses Problem zu lösen, ist, den Schwerpunkt zu erniedrigen, die Anzahl an Rädern auf drei zu begrenzen und die Räder von dem Schwerpunkt weg zu verteilen. Sogar dann gibt es Situationen, in denen ein derartiger Roboter die Situation nicht meistern kann, ohne zu fallen.
  • [0010]
    In einer Umgebung, wo die Situation, in der der Roboter funktionieren muss, bewegliche Menschen und Gegenstände, wie beispielsweise in Krankenhäusern oder der Wohnung, in ihr aufweist, muss der Roboter in der Lage sein, schnelle Entscheidungen zu treffen, um eine Kollision mit beweglichen oder vorübergehenden Gegenständen zu vermeiden, die seinen Weg blockieren. Ein derartiger Roboter muss nicht nur lernen, in einer neuen Umgebung zu uls immer beim Berechnen der Bewegung in eine gewünschte Richtung berücksichtigt werden muss. Zur gleichen Zeit hält bzw. verfolgt das Gerätemodul unmehrdeutig die Spur. fweisen. Ein autonomer Roboter mit Rädern dieser Art ist bereits bekannt und ausgelegt, um Materialtransporttätigkeiten in einer Krankenhausumgebung auszuführen. Als Antwort auf eingegebene Befehle transportiert er Pharmazeutika, Laborproben, Zubehör, Mahlzeiten, medinzinische Aufzeichnungen und Radiologiefilme. Er weist spezifische eingebaute Fächer und Spuren für diese Aufgaben auf. Dieser Tätigkeits-entworfene Roboter weist eingebaute Sensoren und ein Kollisionsvermeidungssystem auf, um in der Lage zu sein, in einer Umgebung mit beweglichen Menschen und Gegenständen zu funktionieren.
  • [0011]
    Einen Roboter für allgemeine Zwecke mit all den vorstehend erwähnten Merkmalen bereitzustellen, wird aufgrund von Entwicklungs- und Wartungskosten für Hardware und Software sehr kostspielig sein. Es gibt einige einzelne Anwendungen außerhalb der verarbeitenden Industrie, wo diese Kosten den Roboter nicht sehr kostspielig machen werden oder ein Roboter eingesetzt wird, der gelegentlich verwendet wird. Es gibt eine große Anzahl von Aufgaben kurzer Dauer in der Wohnung, Krankenhäusern, Laboren, Büros etc., wo es wünschenswert wäre, einen Roboter zu haben, aber wo ein separater, Tätigkeits-entworfener Roboter für jede Aufgabe unrealisierbar sein wird.
  • [0012]
    Ha, Y., Yuta, S.: Trajectory tracking control for navigation of self-contained mobile inverse pendulum. In: Intelligent Robots and Systems '94. Advanced Robotic Systems and the Real World', IROS '94. Proceedings of the IEEE/RSJ/GI International Conference on Volume 3, 12.–16. September 1994, 1875–1882 offenbart die Bahnliniensteuerung eines mobile Roboters vom Pendelradtyp. Der Roboter weist zwei unabhängig angetriebene Räder an einer Achse auf. Ein Neigungssensor misst den Neigungswinkelgeschwindigkeit des Körpers.
  • [0013]
    Shiroma, N., Matsumoto, O., Kajita, S., Tani, K.: Cooperative behavior of a wheeled inverted pendulum for object transportation. In: Intelligent Robots and Systems '96, IROS 96, Proceedings of the 1996 IEEE/RSJ International Conference on Volume 2, Nov. 1996, 396–401 offenbart ein System aus mehreren zusammenarbeitenden Robotern zum kooperativen Transport einer Last.
  • [0014]
    DE 198 20 059 A1 offenbart ein Einrad zur Beförderung einer Last mit einem mit einem Stützmedium zusammenarbeitendes Rad, einen Radträger an welchem das Rad gelagert ist, und einen Rahmen, an dem der Radträger angebracht ist, auf. Der Radträger ist über eine Führungseinrichtung beweglich mit dem Rahmen verbunden. Eine Sensoreinrichtung, welche die Abweichung der Einrad-Hochachse von einer Soll-Lage misst und eine Regeleinrichtung sind vorgesehen. Die Regeleinrichtung steuert mindestens einen Stellmotor, der gegeneinander bewegbare Teile aufweist, die mit dem Rahmen bzw. dem beweglich gelagerten Radträger verbunden sind.
  • [0015]
    DE 38 00 476 A1 offenbart ein einachsiges Fahrzeug mit einem oder mit zwei auf der Achse angeordneten Rädern. Zur Stabilisierung des Fahrzeuges ist ein Sensor vorgesehen, der ein der Ist-Lage entsprechendes Signal erzeugt, das in einem geschlossenen Regelkreis die Richtung und Größe von auf das Fahrzeug ausgeübten Zusatzkräften so regelt, dass die Resultierende aller am Fahrzeugschwerpunkt angreifenden Kräfte immer durch den Aufstandspunkt des Rades bzw. durch die Verbindungslinie der Aufstandspunkte zweier Räder auf der Bewegungsebene geht. Die Zusatzkräfte lassen sich durch Relativverschiebung zwischen Fahrzeugschwerpunkt und Radachse aufbringen. Eine Stabilisierung der Nicklage lässt sich auch durch Verändern der auf die Räder wirkenden Antriebskräfte erreichen.
  • [0016]
    DE 29 808 730 U1 offenbart ein fahrbares Gerät mit mindestens einem Rad, das um eine Radachse drehbar ist, mit einem an der Radachse pendelnd gelagerten Grundkörper, dessen Schwerpunkt sich unter der Radachse befindet, mit einem Schwingbewegungen des Grundkörpers um die Radachse ausgleichenden Kompensationsgewicht, das mittels eines Reglers definiert aus der normalen Ruheposition, in welcher sich der Gesamtschwerpunkt von Grundkörper und Kompensationsgewicht lotrecht zur Radachse befindet, herausbewegbar, ist und mit einer am Grundkörper vorgesehenen Antriebseinrichtung zum Antrieb des mindestens einen Rades des fahrbaren Gerätes.
  • [0017]
    Koichi Ozaki, Hajime Asama, Yoshiki Ishida, Akihiro Matsumoto, Kazutaka Yokota, Hayato Kaetsu, Isao Endo: Synchronized Motion by Multiple Mobile Robots using Communication. In: Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Volume 2, Juli 1993, 1164–1169 offenbart ein Verfahren zur synchronisierten Bewegung mehrerer autonomer Roboter unter Verwendung von Funkkommunikation.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • [0018]
    Die vorliegende Erfindung wird durch den beigefügten Anspruch 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Wege zu finden, um ein Robotersystem der vorstehend diskutierten Art zu entwickeln und einen oder eine Vielzahl von mittels der Einleitung erwähnten Nachteilen auszuschließen oder wenigstens zu reduzieren, wodurch insbesondere eine größere Flexibilität eines Robotersystems erreicht wird.
  • [0019]
    Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein mobiles Robotersystem erreicht, das einen autonomen mobilen Roboter und eine Vielzahl von mobilen Betriebsmodulen enthält. Der autonome Roboter trägt einen eingebauten Computer bzw. Bordcomputer und Mittel zur Navigation, Umgebungsabtastung und Kommunikation. Ein Betriebsmodul ist typischerweise ausgelegt, um eine oder eine Vielzahl von verwandten vorbestimmten Tätigkeiten, wie beispielsweise Heben, Transportieren, Staubsaugen und so weiter, durchzuführen. Das System ist ausgelegt, um den autonomen Roboter und ein Betriebsmodul mit einer beweglichen Einheit zu vereinigen, wobei der Roboter die Einheit navigiert und das Betriebsmodul die gewünschte Tätigkeit an einem vorbestimmten Ort durchführt. In dieser Konstellation weist der Roboter die Intelligenz auf, und das Betriebsmodul weist die Stärke auf. Der gleiche intelligente Roboter wird folglich verwendet, um jedes der Betriebsmodule zu steuern. Wenn eine erste Tätigkeit vollendet ist, kehrt die mobile Einheit zu einer Andockstation zurück, wo der Roboter das erste Betriebsmodul abstellt und dann mit einem zweiten Betriebsmodul andockt, um eine zweite Betriebseinheit zu bilden. Auf einen Befehl von einer zentralen Befehlseinheit macht sich die neue Betriebseinheit auf ihren Weg zu einen zweiten Ort, um eine zweite Tätigkeit auszuführen.
  • [0020]
    Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen autonomen Roboter erreicht, der nur zwei Räder aufweist. Diese Räder sind parallel ausgerichtet und weisen separate Spuren auf. In Abhängigkeit des Schwerpunkts, der unter oder über der Radachse angeordnet ist, gibt es zwei Arten von Stabilisierungssystemen. Wenn der Schwerpunkt unter der Achse ist, ist ein passives Stabilisierungssystem entwickelt, das ein Antriebssystem zur Steuerung der Beschleunigung, des Antriebs und der Retardierung des Roboters enthält. Wenn der Schwerpunkt über der Radachse angeordnet ist, muss ein aktives Stabilisierungssystem verwendet werden. Das heißt, dass auch wenn der Roboter still steht, muss das aktives Stabilisierungssystem durch Informationen von einem Pendel und durch Hin- und Herschwanken des Rads den Roboter in einer stehenden Position halten. In dieser Ausführungsform der Erfindung enthält das Stabilisierungssystem ein Antriebssystem, das das Stabilisierungssystem überlagert. Wenn der Roboter, zum Beispiel, eine Vorwärtsbewegung machen muss, veranlasst das Antriebssystem die Räder rückwärts zu schwanken, wodurch sich der Roboter nach Vorne lehnen wird und beginnt, zu fallen. In einem zweiten Moment wird das Antriebssystem die Räder in eine Vorwärtsrichtung beschleunigen, wodurch eine Kraft gebildet wird, die der Fallkraft entgegenwirkt. In einer Ausführungsform enthält der Roboter Stützfüße, die hinunterfallen, wenn der Roboter inaktiv ist. Wenn der Schwerpunkt mit der Radachse zusammenfällt, kann keine Steuerung des Roboters erreicht werden. Es muss immer ein Abstand zwischen dem Schwerpunkt und dem Zentrum der Antriebsachse sein. Eine derartige Hebelfunktion verursacht ein Drehmoment, das dem Antriebsdrehmoment entgegenwirkt.
  • [0021]
    Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben durch einen Roboter gemäß den Merkmalen in dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 1, einem Robotersystem gemäß den Merkmalen in dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 12 sowie durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen in dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 17 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der abhängigen Ansprüche gegeben.
  • [0022]
    Das mobile Robotersystem weist eine Vielzahl von verschiedenen austauschbaren Betriebsmodulen auf, die selektiv und autonom an den autonomen mobilen Roboter andockbar sind. Ein derartiges System eines einzigen autonomen mobilen Roboters und einer Vielzahl von Betriebsmodulen macht es ökonomisch realisierbar, Roboteranwendungen zu entwickeln, um eine Vielzahl von Tätigkeiten zu erfüllen. Die vielen verschiedenen spezialisierten Roboter (z. B. Bodenpolieren, Staubsaugen, Lagern und Bergen, Überwachung, Heben und allgemeiner Transport) weisen alle bestimmte Funktionen gemeinsam, zum Beispiel die Räder, Aufhängung und Antriebsmotor, das Sensor-, und Navigations- und Lenkungssystem, die eingebaute Transceiver-Schnittstelle für Benutzer- und Computerinteraktion sowie den Computerstrom zum Unterstützen dieser Funktionen auf. Diese gemeinsamen Funktionen sind in dem einzigen autonomen mobilen Roboter enthalten, der sich dann gegebenenfalls selbst mit einem irgendeiner Anzahl von Aufgabe-entworfenen Betriebsmodulen kuppeln kann. Es ist folglich ökonomisch realisierbar, eine Hauptinvestition in die Auslegung und Entwicklung eines derartigen Robotersystems zu machen. Dies wird mit der Navigations-, Spracherkennungs-, Kommunikations- und Entscheidungstreffungs-Hardware und Software vom letzten Stand der Technik ausgestattet, weil der gleiche autonome mobile Roboter dann für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen verwendet werden kann.
  • [0023]
    Der autonome mobile Roboter enthält einen eingebauten Computer, eine Vielzahl von Sensoren, eine Signalschnittstelle, eine mechanische Kupplungsschnittstelle und Kommunikationsmittel. Der Computer enthält einen Prozessor, Speichermittel und eine Vielzahl von Computerprogrammen zur Steuerung des Roboters. In dem Speicher werden digitale Karten der vorliegenden Umgebung, Navigationsabfragebaken und Informationen von allen und jedem Betriebsmodul gespeichert. Der Speicher hält sich ebenfalls bereit, Strategien zur Navigation, Ausrichtung, Manövrierung, Kommunikation sowie eine Strategie zur Vermeidung von Kollisionen zu verwenden. Alle Informationen und Programme werden durch ein Netzwerk, wie beispielsweise ein drahtloses lokales Netzwerk (LAN) oder das Internet, geliefert. Die Sensoren enthalten Abstandsmessmittel, wie beispielsweise Ultraschallradar, Lautmessgeräte, wie beispielsweise ein Mikrofon, und ein optisches Messsystem, wie beispielsweise ein Sichtsystem, das Optik und einen Bildsensor, wie beispielsweise eine elektronische Vorrichtung, die fähig ist, ein Lichtmuster (Bild) in ein elektrisches Ladungsmuster umzuwandeln, wie beispielsweise ein Ladungskopplungsspeicher (CCD), enthält.
  • [0024]
    Die Signalschnittstelle enthält Protokolle zum Senden und Empfangen von Signalen, die Informationen von und für Sensoren, Betriebsmodulen und Kommunikationssystem tragen. Diese Signale werden hauptsächlich an ein lokales Netzwerk gesendet, das ebenfalls ein drahtloses Netzwerk umfasst. Das Signal enthält folglich eine Vielzahl von Teilen, wie beispielsweise Adresse, Identität und Nachrichten.
  • [0025]
    Die mechanische Schnittstelle enthält eine mechanische Kupplung zum Andocken mit den verschiedenen Betriebsmodulen. In einer ersten Ausführungsform enthält die mechanische Schnittstelle ein Greifmittel, an das das Betriebsmodul gekuppelt ist. In einer anderen Ausführungsform enthält die mechanische Schnittstelle einen Anhängevorrichtungsrahmen, der in einer Ausführungsform um eine Achse normal zu der Längsachse des Roboters rotierbar ist. In noch einer anderen Ausführungsform enthält der Anhängevorrichtungsrahmen eine absenkbare und hochhebbare Stange mit einem oder einer Vielzahl von Haken.
  • [0026]
    Das Kommunikationsmittel enthält in einer ersten Ausführungsform einen Sender und Empfänger für drahtlose Kommunikation. Das Kommunikationsmedium ist vorzugsweise elektromagnetische Wellen, aber kann ebenfalls ein Schall- oder Leichtkommunikationsmittel enthalten.
  • [0027]
    Der Roboter muss einfach zu betreiben sein, ohne den Bedarf zur komplizierten Neuprogrammierung. In einer bevorzugten Ausführungsform spricht der Roboter auf gesprochene Befehle oder Befehle an, die durch effiziente Kommunikationsmittel von einem Menschen oder einem anderen Computer oder einer Prozessoreinheit gesendet werden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weisen sie eine umfassende eingebaute Rechenleistung auf, um in der Lage zu sein, autonom zu arbeiten, wobei dadurch ihre eigenen Entscheidungen gemacht werden, ohne Erfordern von beständiger Instruktionen und Überwachen durch einen Betreiber.
  • [0028]
    In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Betriebsmodul mit seinen eigenen Rädern bereitgestellt. Auf diese Weise sind sie unabhängig von dem autonomen mobilen Roboter lagerfähig und beweglich und tragen ihre eigenen Lasten. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind sie ebenfalls mit ihren eigenen Strommitteln, zum Heben etc. bereitgestellt. Sie weisen ebenfalls Mittel zur elektrischen Verbindung sowie Mittel zur Signalisierung und Interaktion mit dem autonomen mobilen Roboter auf. Auf diese Weise ist ein angedocktes Betriebsmodul fähig, den autonomen Roboter mit Strom zu versorgen.
  • [0029]
    Ein autonomer mobiler Roboter weist normalerweise wenigstens drei Räder auf, um fähig zu sein, in einer stabilen Position aufrecht zu stehen. Wenn ein derartiger Roboter mit einem Betriebsmodul angedockt ist, das zwei Räder aufweist, um eine Betriebseinheit zu bilden, enthält diese Betriebseinheit oft fünf Räder oder mehr. Die Einheit wird dann instabil und zwei Räder müssen folglich entfernt werden. Wenn die Funktionalität einer horizontalen Achse zwischen zwei Paar Rädern angeordnet ist, muss nur ein Rad entfernt werden. Gemäß der Erfindung ist diese Lösung sehr praktisch, weil der erfundene Roboter nur zwei Räder aufweist. In einer Ausführungsform der Erfindung bilden die Räder des Roboters ein Paar Räder und die zwei Räder des Betriebsmoduls bilden ein anderes Paar Räder. Durch Aufweisen einer Kupplungsvorrichtung zwischen den Zwein, die eine freie Drehung um eine horizontale Achse aufweist, sind dann alle vier Räder in engen Kontakt mit dem Boden, wobei die Betriebseinheit folglich stabil wird.
  • [0030]
    In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist der Roboter eine Kupplungklappe auf, durch die das vordere Ende eines Betriebsmoduls derart hochgehoben wird, dass nur zwei Räder in engen Kontakt mit dem Boden sind. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind alle bis auf eins oder wenigstens alle bis auf zwei Räder des Betriebsmoduls in alle Richtungen um eine Achse normal zu der horizontalen Ebene frei drehbar. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einer vereinigten Einheit sind ein oder zwei Räder des Betriebsmoduls in engen Kontakt mit dem Boden und wirken folglich als Laufräder.
  • [0031]
    Es ist schwierig, mathematische Modelle zum Lenken eines autonomen mobilen Roboters zu konstruieren, der mit einem Betriebsmodul mit Rädern gekuppelt ist, wenn das mathematische Modell die vorliegende Ausrichtung des autonomen mobilen Roboters zusätzlich zur Ausrichtung des Betriebsmoduls mit Rädern berücksichtigen muss. Dieses Problem handelt von der Achsenkonstruktion. Durch Bewirken, dass der Kupplungsanhängevorrichtungsrahmen relativ zu der Antriebsradachse schwenkbar ist, wird die Anzahl und die Komplexität der Sensoren an dem autonomen mobilen Roboter verringert. Der Ausdruck „mit Rädern” in den Ansprüchen ist ebenfalls beabsichtigt, alle Roboter mit Rädern einzuschließen, die Laufketten oder Gleisketten um die Räder aufweisen.
  • [0032]
    Ein vorteilhaftes Anhängemittel zwischen dem autonomen mobilen Roboter und dem ausgewählten Betriebsmodul wird definiert, wodurch das Kuppeln und Auskuppeln automatisch bewirkt wird, ohne zu erfordern, dass die Mittellinien des autonomen mobilen Roboters und des Betriebsmoduls in exakter Ausrichtung vor den Kuppeln sind.
  • [0033]
    Das Problem des automatischen Bestimmens der Länge und Ausrichtung relativ zu dem autonomen mobilen Roboter des Betriebsmoduls und der Gegenwart oder Abwesenheit von Hindernissen neben dem Betriebsmodul wird durch die Sensorkonstruktionen gelöst.
  • [0034]
    Die vorliegende Erfindung umfasst ebenfalls ein Verfahren einer Roboterausführung einer Vielzahl von Aufgaben mittels des erfindungsgemäßen mobilen Robotersystems, das wenigstens einen erfindungsgemäßen autonomen mobilen Roboter einschließt, wodurch der Roboter einen Aufgabenbefehl durch die drahtlose Kommunikationsschnittstelle empfängt, auswählt, sich nähert und sich selbst mit einem geeigneten Betriebsmodul kuppelt, eine Aufgabe ausführt und sich dann selbst aus dem Modul auskuppelt. Dies wird geeignet unter Verwendung eines Computerprogrammprodukts, das von irgendeinem geeigneten Medium präsentiert wird, gemäß der Erfindung zur vollständigen oder teilweisen Prozessor-Ausführung des Verfahrens ausgeführt.
  • [0035]
    Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Computerprogrammprodukt, das ein Softwareprogramm enthält, das Anweisungen für einen Computer oder einen Prozessor enthält, um den Roboter mit zwei Rädern anzutreiben oder den Schritt des vorstehend beschriebenen Verfahrens auszuführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • [0036]
    Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen mit der Beschreibung und Zeichnungen klarer, von denen:
  • [0037]
    1 schematisch das Prinzip zeigt, das verwendet wird, um den mobilen Roboter auf seinen zwei Rädern ausgeglichen anzutreiben und zu halten, wenn er alleine funktioniert.
  • [0038]
    2 den mobilen Roboter beim Hinauffahren einer Steigung schematisch zeigt.
  • [0039]
    3 das Prinzip des Robotersystems gemäß der Erfindung in Diagrammform veranschaulicht.
  • [0040]
    46 die Prinzipien schematisch zeigen, die verwendet werden, um den Roboter mit drei verschiedenen Typen von Betriebsmodulen mit Rädern unter Verwendung einer einzigen Vebindungsanhängevorrichtung zu kuppeln.
  • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
  • [0041]
    1 zeigt rein schematisch einen Roboter mit zwei Rädern gemäß der Erfindung. Der Roboter 1 weist einen Körper 1 auf, der vorzugsweise eine Verarbeitungseinheit für autonome Bewegung enthält. Diese Verarbeitungseinheit umfasst ein System zum Schwingungsdämpfen/-ausgleich, Lenken und Antreiben. In dieser bevorzugten Ausführungsform regelt die Verarbeitungseinheit ebenfalls Systeme zur Ausrichtung und Navigation sowie zum Empfangen von Signalen von einem eingebauten Sensor/Lenkungssystem. Dieser bevorzugte autonome mobile Roboter oder autonome mobile Roboter weist ebenfalls eine eingebaute drahtlose Kommunikationsschnittstelle zum Senden und Empfangen von Signalen auf, die vom Kurzstrecken FM oder sogenannten „Bluetooth” Typ sein kann.
  • [0042]
    Der autonome mobile Roboter läuft auf einem einzigen Paar coaxialer Antiebsräder 2. Diese Räder werden differentiell angetrieben, entweder durch zwei separate elektrische Motoren oder durch variable Differentiale von einem einzigen Motor, wobei dadurch Lenken bereitgestellt wird, wobei sie sogar um die eigene zentrale vertikale Achse des Roboters durch Antreiben der Räder in entgegengesetzte Richtungen drehbar sind.
  • [0043]
    Der autonome mobile Roboter wird auf seinen zwei Rädern durch Einsetzen einer Antriebssteuerung unter Verwendung von ausgewählten Eingangsparametern, wie beispielsweise der Kippwinkel θ, die Ableitung des Kippwinkels θ, die Roboterposition und das Antriebsdrehmoment, im Gleichgewicht gehalten, um den Schwerpunkt im Wesentlichen über der Kontaktlinie der Räder mit dem Boden zu halten. Der Kippwinkel ist die Winkeldifferenz zwischen der vertikalen Linie 3 durch die Radachse und die Längslinie 4 von der Radachse durch den Schwerpunkt. Der Roboter, der seinen Schwerpunkt über der Radachse liegend aufweist, wird mathematisch als ein „umgekehrtes Pendel” betrachtet, das mit einem durch einen elektrischen Motor angetriebenen Wagen gelenkig verbunden ist. Gemäß dem „umgekehrten Pendel” Modell, das ein bekanntes mathematisches Modell bei der Steuerungs- und Regelungstechnik ist und das hier nicht detaillierter diskutiert wird, muss das umgekehrte Pendel durch einen Ausgangsstrom stehend gehalten werden, der zu dem elektrischen Motor geliefert wird.
  • [0044]
    Beim Stillstehen wird der Roboter sich leicht hin und her bewegen, um das Gleichgewicht beizubehalten. Vor einer Vorwärtsbeschleunigung wird sich der Roboter leicht rückwärts bewegen, um den Roboter leicht nach vorne geneigt zu machen, bevor der Roboter vorwärts beschleunigt, sodass das durch Schwerkraft erzeugte Drehmoment entgegenwirkt und das Drehmoment löscht, das von dem Rad-Motor erzeugt wird, der vorwärts beschleunigt. Beim Vorwärtsbewegen bei einer konstanten Geschwindigkeit werden eine sehr kleine Retardierung und Beschleuigungen, die den konstanten Geschwindigkeitsantrieb der Räder überlagern, den Roboter in stehenden Gleichgewicht halten. Vor dem Halten oder Verlangsamen von einer konstanten Geschwindigkeit wird der Roboter genauso programmiert werden, um leicht zu beschleunigen, um ihn rückwärts zu neigen und das durch die Schwerkraft erzeugte Drehmoment verwenden, um entgegenzuwirken und das durch die Verzögerung erzeugte Umkippdrehmoment zu löschen.
  • [0045]
    In einer praktischen Ausführungsform kann der Roboter geeignet mit zwei Endstücken (nicht gezeigt) bereitgestellt sein, die an beiden Seiten von der Rad-Koachse beabstandet sind. Bei normaler Tätigkeit sind beide dieser Endstücke von dem Boden beabstandet. Im Falle eines Steuerungsversagens oder Stromausfalls wird der Roboter nicht umkippen, sondern auf einem der Endstücke zu einem geneigten Stillstand kommen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Roboter eine Funktion in der Verarbeitungseinheit auf, wodurch der Roboter, wenn er alleine steht, für eine bestimmte Zeitdauer inaktiv ist, in einen Standby-Modus eintreten wird, wobei sein Schwingungsdämpf-, Lenk- und Antriebssystem zeitweise deaktiviert wird und er auf einem seiner Endstücke geneigt stillsteht.
  • [0046]
    Sollte der Roboter gegen eine Wand zum Stillstand kommen oder sollte eine Person oder ein Gegenstand in die Bahn des Roboters eintreten, kann der Roboter in einer Position sein, in der es für ihn physikalisch bzw. körperlich unmöglich ist, seine Positionsausgleicheinstellungen durchzuführen, weil er sich nicht näher an die Wand oder den einschreitenden Gegenstand bewegen kann. Oder ein Sensor kann ein Signal zu der Verarbeitungseinheit senden, wobei ein Verbot für den Roboter ausgelöst wird, sich näher an den einschreitenden Gegenstand zu bewegen. In derartigen Fällen wird ein Umgehungsalgorithmus eintreten, der dem Roboter befehlt, sich weg zu bewegen, auch wenn er nicht im stehenden Gleichgewicht ist, möglicherweise auf einem der Endstücke schleudernd, bis er in der Lage ist, seine stehende Position von der Wand oder dem Gegenstand weg anzunehmen.
  • [0047]
    2 zeigt schematisch eine Ansicht eines dargestellten Roboters mit zwei Rädern, der eine steile Steigung ersteigt. Das Schwingungsausgleichssystem kippt den Roboter vorwärts, um den Schwerpunkt im Wesentlichen vertikal über der Linie 5 von Kontaktpunkt c zwischen den Rädern und der Oberfläche plaziert zu halten, wobei dadurch der Roboter im stehenden Gleichgewicht gehalten wird.
  • [0048]
    In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der autonome mobile Roboter seinen Schwerpunkt unter der Koachse des Paars Räder angeordnet auf, wobei dadurch eine natürliche Stabilität erreicht wird. Das Pendelschwingungsdämpf-, Lenk- und Antriebsmittel erlaubt dem autonomen mobilen Roboter, der einige Hundert Kilogramm wiegen kann, aufgrund eines niedrigen Schwerpunkts eine natürliche Stabilität aufzuweisen und gleichzeitig ohne übermäßige Schwingung beschleunigt und verzögert zu werden, die ansonsten das Sensor/Lenkungssystem und das Navigations- und Ausrichtungssystem stören kann.
  • [0049]
    Wenn der Schwerpunkt des Roboters unter der Koachse der Räder angeordnet ist, ist das verwendete mathematische Steuerungsmodel das eines regulären Pendel (das auch als „Kran” bekannt ist) Modells, das verwendet wird, um übermäßiges Schaukeln des Roboters mit niedrigem Schwerpunkt zu verhindern, wenn er beschleunigt oder verzögert.
  • [0050]
    Das Aufweisen des Schwerpunkt über der Koachse kann jedoch die Vorteile einer hohen Position der Sensoren und der Kupplungsanhängevorrichtung bereitstellen und ermöglicht dem Roboter, über bestimmte Gegenstände und Vorsprünge zu gehen.
  • [0051]
    Es sollte klar sein, dass, wenn der Schwerpunkt direkt auf der Rad-Koachse ist, es keine natürliches Gleichgewicht wie mit dem Schwerpunkt unter der Koachse und kein Schwerkraft-induziertes Kippdrehmoment geben wird, um den Kippwinkel anzuzeigen und Beschleunigung und Verzögerung entgegenzuwirken, wie wenn ein Schwerpunkt über der Koachse ist.
  • [0052]
    Dieser universelle autonome mobile Roboter ist mit hochentwickelten Navigations-, Lenk- und Ausrichtungssystemen bereitgestellt, die möglicherweise eingebaute digitalisierte Karten, Kompasse, verschiedene Landmarkenerkennungssysteme, Kreiselkompasse bzw. Gyroskope und/oder GPS enthalten. Die Probleme einer Auslegungsarbeit, Logistik und Kosten werden durch Aufweisen eines universellen zentralen autonomen mobilen Roboters gelöst, der sich selbst automatisch mit einem einer Vielzahl von Gerätemodulen kuppelt, wie in Diagrammform in 3 gezeigt. Zur Leichtigkeit von Lagerung, manueller Bewegung, Leichtigkeit von Kupplung und sogar Gewichtsverteilung auf der autonomen mobilen Roboter/Moduleinheit, werden diese Gerätemodule bevorzugt auf ihren eigenen Rädern getragen. Nur einige sehr wenige Beispiele von verschiedenen Gerätemodulen, die in einer Hotelumgebung verwendbar sind, sind: Mahlzeittablettlagerungs- und Verteilungsmodul, ein Transportmodul, eine Sauberwäschelade- und Verteilungsmodul, eine Schmutzwäscheempfang-, Transport- und Entlademodul, ein Staubsaugermodul, ein Bodenpoliermodul, Module zur Bergung und Zuführung aller Art von Zubehör und Module für den Empfang und Entsorgung aller Arten von verwendeten Lieferungen und Abfällen. Der Roboter und das System gemäß der vorliegenden Erfindung, die für viele verschiedene Aufgaben verwendet werden, werden häufig eine Aufgabe haben, die er bzw. es mit einem seiner Gerätemodule ausführen kann und kann folglich rund um die Uhr verwendet werden, wobei dadurch der Kostenvorteil des Robotersystems immer noch weiterhin gesteigert wird.
  • [0053]
    Diese vorstehend erwähnten Beispiele sind nur einige wenige der vielen Weisen, das System gemäß der Erfindung ist gleich an neue Aufgaben durch Bereitstellen eines neuen Moduls, aber immer noch unter Verwendung des gleichen mobilen Roboters anpassbar, in dem die Funktionen von Traktion, Navigation, Lenkung, Transceivung, Sicherheitsabstastung etc., Funktionen konzentriert sind, die schwierig, zeitraubend und kostspielig in einem Roboter auszulegen sind. Das Robotersystem gemäß der Erfindung wird in Umgebungen kleinerer Größe ökonomisch realisierbar als der Größe werden, die zum Herstellen eines Aufgaben-entworfenen Roboters erforderlich ist, die im Allgemeinen eine sehr große Hoteleinheit zur ökonomischen Realisierbarkeit erfordert. Das Robotersystem gemäß der Erfindung stellt die Fähigkeit bereit, viel mehr Aufgaben auszuführen, als es vorher möglich war. Seine universelle Natur stellt die Fähigkeit des Verwendens einer Anzahl von identischen Robotern in dem gleichen System bereit.
  • [0054]
    46 zeigen schematisch und mit einer sehr übertriebenen Kupplung um der Veranschaulichung willen den autonomen mobilen Roboter, der mit drei verschiedenen Grundtypen von Gerätemodulen mit Rädern gekuppelt ist. Gemäß dem mobilen Robotersystem der Erfindung bewegt sich der autonome mobile Roboter mit zwei Rädern alleine unter Verwendung seines Pendelschwingungs/ausgleichs-, Lenk- und Antriebssystem und kuppelt sich automatisch selbst mit einem Gerätemodul 3 mit Rädern, das er auswählt, um einen spezifischen Dienst oder Transportaufgabe auszuführen. Wenn mit dem Gerätemodul 3 mit Rädern gekuppelt, ist die Pendelschwingungsdämpf/ausgleichsfunktion deaktiviert, wobei ein einfacheres Antriebssystem aktiviert gelassen wird. Der autonome mobile Roboter muss nicht länger auf zwei Rädern ausgleichen oder Pendelschwingungen dämpfen, weil er dadurch unterstützt wird, dass er mit dem ausgewählten Gerätemodul mit Rädern gekuppelt ist.
  • [0055]
    Der gleiche autonome mobile Roboter wird in drei verschiedenen Beispielen in 4, 5 und 6 verwendet. Er weist eine Verbindungsanhängevorrichtung 4 auf, die in diesem Fall nur schematisch um der Veranschaulichung willen dargestellt ist. Die Kupplungsanhängevorrichtung ist um ihre Längsachse x rotierbar und weist zwei beabstandete mechanische Greifmittel auf, die in feststehenden beabstandeten Verhältnis in einer Ebene normal zu einer Längsachse rotierbar sind, die durch den Roboter durchgeht.
  • [0056]
    Es sollte klar sein, dass die Figuren lediglich die Prinzipien der Kupplunganhängevorrichtung darstellen, die in einem Roboter mit zwei Rädern verwendet wird, die in vielen anderen Formen, zum Beispiel, direktem Greifen in ein Modul anstelle einer Stange, oder unter Verwendung von Haken- und Verbindungsmittel als schließbare und öffenbare Klemmen realisiert werden können.
  • [0057]
    In dieser besonderen Ausführungsform ist die Kupplungsanhängevorrichtung 4 Teil eines Kupplungsanhängevorrichtungsrahmens 14, der zu dem Körper des autonomen mobilen Roboters 1 rotierbar ist. In einigen Situationen, zum Beispiel, zum Sichern von unmehrdeutigen Spurhalten bzw. Spurverfolgen oder zum Unterstützen eines gekuppelten Roboters, kann es jedoch vorteilhaft sein, den Rahmen relativ an dem Körper festzusetzen.
  • [0058]
    Unter Verwendung seines Paars differentiell antreibbarer Räder 2 kann der autonome mobile Roboter 1 sich selbst, wenn so gewünscht, in irgendeine gewünschte Richtung ohne Änderung der Positionen des Anhängevorrichtungsrahmens 14, seiner Kupplungsanhängevorrichtung 4 oder des Gerätemoduls 3a, 3b oder 3c mit Rädern drehen.
  • [0059]
    Es wird nun insbesondere auf den in 4 veranschaulichten Typenfall Bezug genommen, der den universellen autonomen mobilen Roboter 1 zeigt, der mit einem spezifischen Typ von Gerätemodul 3a mit Rädern, nämlich einem mit einem einzigen Paar koaxialer Räder 8, gekuppelt ist, die in diesem Fall nicht-drehend sind. Das Gerätemodul 3a weist eine vertikale Anhängevorrichtungsstange 7 auf. Vor dem Kuppeln dreht sich die rotierbare Kupplungsanhängevorrichtung um eine vertikale Position, wie in der Figur gezeigt, und ihre zwei öffenbaren und schließbaren Kupplungsklemmen 5 und 6 schließen beide um die vertikale Anhängevorrichtungsstange 7, wobei aber eine Schwenkbarkeit um die vertikale Achse z erhalten wird. Die zwei vertikal beabstandeten Klemmen 5 und 6 und die Stange 7 verhindern, dass der gekuppelte autonome mobile Roboter und das Gerätemodul um die Querachse y schwenken, die durch die Kupplung durchgeht, wobei dabei sowohl der autonome mobile Roboter als auch das Gerätemodul vom Kippen abgehalten werden. Es ist ebenfalls möglich, die Klemmen dicht greifend um die Stange zu machen, wenn es notwendig ist, ein unmehrdeutiges Spurhalten bzw. Spurverfolgen zu erhalten. Die Kupplung kann eine bestimmte Drehmenge um die Längsachse x erlauben.
  • [0060]
    Diese in 4 gezeigte Anordnung erlaubt dem autonomen mobilen Roboter 1, sich selbst in irgendeine Richtung größtenteils ohne Hinblick auf die vorhandene Ausrichtung des autonomen mobilen Roboters 1 und des Gerätemoduls zu lenken. Mit anderen Worten das Lenken ist holonomisch („whole-ruling”), was sehr viel einfachere Steuerungsbetrachtungen und -befehle erfordert, als wenn die gegenwärtige Ausrichtung des autonomen mobilen Roboters und des Gerätemoduls immer beim Berechnen der Bewegung in eine gewünschte Richtung berücksichtigt werden muss. Zur gleichen Zeit hält bzw. verfolgt das Gerätemodul unmehrdeutig die Spur.
  • [0061]
    5 zeigt einen anderen Typ von Gerätemodul 3b mit einem hinteren Paar nicht-drehender Räder 9 und einem vorderen Paar frei drehender Räder 10. Eine L-förmige Stange 11 mit einem stehenden Ständer mit einem Knopf an dem Ende ist starr in das Gerätemodul 3b gekuppelt. Die Kupplungsanhängevorrichtung 4 ist in ihrer vertikalen Position, wie in 4, angeordnet, aber in diesem Fall klammern sich nur die oberen Klemmen 6 um den stehenden Ständer unter dem Knopf 15. Was in diesem Fall wichtig ist, ist, dass die Klemme 6 und mit ihr die Kupplungsanhängevorrichtung 4 in Bezug auf das Gerätemodul 3b auf der gleichen Höhe gehalten wird. Dies wird verhindern, dass der autonome mobile Roboter 1 kippt, wobei das Gerätemodul 3b vier Räder aufweist, um ihn am Kippen zu hindern. Diese Konfiguration wird ebenfalls dem autonomen mobilen Roboter erlauben, sich selbst in irgendeine Richtung ohne Hinblick auf die vorhandene Ausrichtung des autonomen mobilen Roboters und des Gerätemoduls zu lenken, das frei drehbare Vorderräder 10 aufweist. Und zur gleichen Zeit wird diese Anordnung unmehrdeutig die Spur halten. In dieser besonderen gezeigten Ausführungsform ist eine bestimmte Drehmenge um die x- und y-Achse möglich. Sie kann ebenfalls geeignet sein, der Klemme 6 zu erlauben, sich dicht um die L-förmige Stange 11 in bestimmten Spurhaltung- und Lenksituationen zu klammern.
  • [0062]
    Der dritte Typ von Gerätemodul 3c ist schematisch in 6 veranschaulicht. Dieser dritte Typ, der beispielsweise ein Wäschetransportmodul sein kann, weist zwei Paare drehbarer Räder 10 und 12 auf. Zur Kupplung dreht der autonome mobile Roboters 1 seine Kupplungsanhängevorrichtung 4 in eine horizontale Position, um beide Klemmen oder Kuppler 5 und 6 in beabstandeter horizontaler Beziehung zu einer horizontalen Stange 13 zu klemmen, die an dem Gerätemodul 3c befestigt ist. In diesem Fall weist die Kupplung eine Schwenkbarkeit um die Querachse y auf. Weil zwei Paare drehbarer Räder 10 und 12 vorhanden sind, ist der feststehende horizontale Zwischenraum der Klemmen 5 und 6 notwendig, um unmehrdeutiges Spurhalten zu erreichen. Irgendeine Drehbarkeit um die x-Achse kann notwendig sein.
  • [0063]
    In jedem der drei vorstehend gezeigten Fällen werden drei notwenige Funktionen mit der gleichen Kupplungsanhängevorrichtung 4 erreicht:
    • 1. Abhalten des autonomen mobilen Roboters vom Umkippen, wenn die Schwingungsdämpf/ausgleichsfunktion deaktiviert ist,
    • 2. Erlauben von einfachem Lenken der vereinigten Einheit (ohne Hinblick auf die Ausgangsausrichtung),
    • 3. Bereiststellen von unmehrdeutigem Spurhalten bzw. Spurverfolgen ohne Festsetzen von drehbaren Rädern oder Absenken eines Laufrads.
  • [0064]
    Es sollte klar sein, dass die Kupplungsanhängevorrichtung und die komplementäre Anhängevorrichtungskomponente an jedem Gerätemodul in der Praxis in den meisten Fällen kompakter sein werden und eine praktischere Auslegung aufweisen wird, wobei aber die hier umrissenen Schwenkfunktionen erhalten bleiben.
Patentzitate
Zitiertes PatentEingetragen Veröffentlichungsdatum Antragsteller Titel
DE3800476A1 *11. Jan. 198820. Juli 1989Anschuetz & Co GmbhVerfahren zum stabilisieren eines einachsigen radfahrzeugs und fahrzeug, das nach diesem verfahren stabilisiert ist
DE19820059A1 *6. Mai 199818. Nov. 1999Werner BernhardEinrad zur Beförderung einer Last und Verfahren zu dessen Lage-Regelung
DE29808730U1 *14. Mai 199820. Aug. 1998Hueber FranzFahrbares Gerät
US5324948 *27. Okt. 199228. Juni 1994The United States Of America As Represented By The United States Department Of EnergyAutonomous mobile robot for radiologic surveys
Nichtpatentzitate
Referenz
1 *Ha,Y., Yuta,S.: Trajectory tracking control for navigation of self-contained mobile inverse pendulum. In: Intelligent Robots and Systems '94. Advanced Robotic Systems and the Real World', IROS '94. Proceedings of the IEEE/RSJ/GI International Conference on Volume 3, 12.-16. September 1994, 1875-1882. http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=407604
2 *Koichi Ozaki, Hajime Asama, Yoshiki Ishida, Akihiro Matsumoto, Kazutaka Yokota, Hayato Kaetsu, Isao Endo: Synchronized Motion by Multiple Mobile Robots using Communication. In: Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Volume 2, Juli 1993, 1164-1169.
3 *Shiroma,N., Matsumoto,O.,Kajita,S., Tani,K.: Cooperative behavior of a wheeled inverted pendulum for object transportation. In: Intelligent Robots and Systems '96, IROS 96, Proceedings of the 1996 IEEE/RSJ International Conference on Volume 2, Nov. 1996, 396-401. http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=570801&tag=1
Klassifizierungen
Internationale KlassifikationB60D1/30, G05D1/08, B25J5/00, G05D1/02, B62D6/00, G05D19/02, B25J9/16
UnternehmensklassifikationY02T90/16, B60L2260/32, B25J5/007