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Die Erfindung betrifft einen selbstnivellierenden Rollautomaten mit nur einem Bodenauflagepunkt zum Balancieren und Bewegen von Lasten.
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[Stand der Technik]
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Bekannt ist ein Fahrautomat mit einem Bodenauflagepunkt, der unter der Bezeichnung U3-X von der Firma Honda vorgestellt wurde. Die Patentanmeldung
JP 2011/068160 A beschreibt dazu ein Fahrzeug, das in Form eines umgekehrten Pendels aufgebaut ist und sich während des Balancierens in alle willkürlichen Richtungen bewegen kann.
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Anhand der Detektion des Balance- und Bewegungszustandes eines Gehäuses mittels eines Sensors wird durch Steuerung der Bewegung eines Rotors über ein Steuerteil der Beförderungsapparat gestoppt oder verschoben. Ein Antriebslaufrad mit ringförmigem Querschnitt setzt sich aus um dessen Mittellinie drehbaren Rollenelementen zusammen. Durch einen Antriebsmechanismus kann der ringförmige Querschnitt um eine zentrale Axiallinie bewegt werden, während zur Richtungsänderung die Rollenelemente um die Mittellinie des ringförmigen Querschnittes bewegt werden können.
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Diese Einradversion ist in der Konstruktion des Antriebsrades aufgrund vieler einzelner Rollenelemente relativ aufwendig konzipiert und entsprechend empfindlich gegen Fremdkörper. Durch die festgelegte Anordnung des Laufrades bleibt die Spontaneität bei der Fahrtrichtungswahl aufgrund einer priorisierten Spur eingeschränkt.
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Aus der Patentschrift
DE 198 20 059 A1 ist ebenfalls ein Einrad zur Beförderung einer Last sowie ein Verfahren zu dessen Lageregelung bekannt. Der Radträger ist über eine Führungseinrichtung beweglich mit dem Rahmen verbunden, wobei mindestens eine Sensorvorrichtung vorgesehen ist, welche die Abweichung der Einrad-Hochachse von einer Soll-Lage misst und einen Stellmotor über eine Regeleinrichtung steuert, um die Hochachse in einer Senkrechten auszurichten.
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Die kardanische Aufhängung des Rades erlaubt mit dieser Lösung aufgrund des relativ großen Wendekreises keine abrupten seitwärtigen Richtungsänderungen.
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[Aufgabe der Erfindung]
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen selbstnivellierenden Rollautomaten mit nur einem, einen Bodenauflagepunkt bildenden Rollelement zu schaffen, bei dem durch Optimierung der Schwerpunktanordnung eine schnelle Richtungsänderung bei gleichmäßigem Spurverhalten mit relativ einfachen Mitteln möglich ist.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß besitzt der Rollautomat ein Rollelement, das durch Antriebsmittel über ein Fahrwerk in Bewegung versetzt wird und durch weitere Antriebsmittel eine Richtungsänderung erfährt.
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Das Rollelement, das über eine in einem Gehäuse verlaufende Mittelachse mit einer Lastaufnahme verbunden ist, kann ein auf einer Achse laufendes Rad sein, bei dem die Richtungsänderung durch Lenkung der Radachse erfolgt. Ebenso kann das Rollelement eine Kugel sein, wobei die Laufrichtung der Kugel über ein Reibwerk gesteuert wird.
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Um den Balancezustand des selbstnivellierenden Rollautomaten sicherzustellen, ist es zweckmäßig, dass der Bodenauflagepunkt des Rollelementes möglichst flink senkrecht unter den Gesamtschwerpunkt gebracht wird. Zur Nivellierung wird das Rollelement entsprechend bewegt.
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Für eine optimale Steuerung ist es zweckmäßig, dass möglichst alle Teile des Rollautomaten rotationssymmetrisch um die Mittelachse angeordnet sind, dass sich der Gesamtschwerpunkt relativ weit oben sowie eine Schwungmasse weit außen befindet.
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Die Motore für Antrieb und Lenkung des Rollelementes sowie andere schwere Teile wie z. B. Akkumulatoren und Schwungkörper sind darum im Oberteil des Rollautomaten untergebracht. Motore und Akkumulatoren können auch gleichzeitig als Schwungkörper dienen.
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Generell besteht der Rollautomat aus drei, um eine gemeinsame Mittelachse gegeneinander drehbaren Einheiten: einem Gehäuse, der Schwungmasse und dem Fahrwerk. Auch von oben nach unten gliedert sich der Aufbau in drei wesentliche Teile; einem Oberteil, einem Mittelteil als Schaft und einem Unterteil, welches das Rollelement birgt. Die Kraftübertragungen der Motore zur Bewegung des Rollelementes sind entlang der Mittelachse durch den Schaft geführt.
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Um bei rotationsfreiem Gehäuse schnelle Richtungsänderungen des Rollelementes gewährleisten zu können, ist das Fahrwerk möglichst trägheitsarm ausgeführt.
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Um im Falle der Radversion bei Neigung der Mittelachse ein Absenken des Rollelementmittelpunktes zu verhindern, ist es zur Gewährleistung einer verlässlichen Messtechnik sowie homogener Kraftverhältnisse notwendig, dass die Lauffläche des Rollelementes eine sphärisch gewölbte Oberfläche besitzt, deren Radius dem Radmittelpunkt entspringt.
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Durch den Aufbau des Rollautomaten und die Anordnung seiner für den Antrieb und die Steuerung des Rollelementes notwendigen Bauteile wird gewährleistet, dass
- – zur Lagekorrektur die Masseträgheit durch einen möglichst hoch gelegenen Schwerpunkt ausgenutzt wird,
- – das Fahrwerk eine geringere Masseträgheit gegenüber dem übrigen Aufbau besitzt und
- – die rollende Fläche des Rollelementes quer zur Fahrtrichtung sphärisch ausgebildet ist.
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Die Radversion des Rollautomaten ist aufgrund der verhältnismäßig simplen Anordnung seiner Bauteile in den verschiedensten Maßstäben und Größenverhältnissen relativ einfach produzierbar. Überall dort wo eine Unterstützung bei senkrechter Ausrichtung gefordert ist, kann der Automat den Bedürfnissen angepasst werden. Wenn man der Phantasie freien Lauf erlaubt und dabei eine entsprechende Weiterentwicklung in Betracht zieht, ergeben sich spannende Möglichkeiten des Einsatzes.
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Durch eine regulierbare automatische Höhenverstellung lassen sich z. B. beliebig viele Geräte als automobile Stelzen zu einem Gesamtfahrzeug zusammenschließen, z. B. um große Bauteile unterstützend gleich einem schwimmenden Körper bewegen zu können. Damit könnte auf umständliche Transportarten und -mittel verzichtet werden, wobei die einzelnen Geräte genauso gut separiert einsetzbar sind, z. B. in der ursprünglich angedachten Funktion als Sitz- und Fahrautomat.
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Wird der Rollautomat im Sinne eines Jägersitzes, bekannt als Spazierstocksitz, oder eines Melkschemels verwendet, so gewährleistet er eine senkrechte Sitzposition wie bei einem Sitzball, da ein Kippeln unverzüglich eine Korrektur auslösen würde.
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Diese Eigenschaft kommt der zweiten Verwendung zugute, welche aber einen sicheren Halt am Gerät voraussetzt. Ist dieser gewährleistet, so lässt sich schon durch eine geringe Gleichgewichtsverschiebung der Rollautomat in jede beliebige Richtung manövrieren.
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Das macht den Rollautomaten zu einem platzsparenden, wendigen Gefährt, welches für verschiedene Personengruppen ein ebenso reizvolles wie auch zweckmäßiges Alltagsinstrument sein kann.
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Menschen, z. B. deren untere Extremitäten funktionsgestört sind, könnten dadurch wieder wesentlich mobiler werden, wenn sie ansonsten noch sportlich genug sind, das Gerät zu steuern; Verkaufsräume, Büros und Werkhallen mit egalen Böden könnten mit dieser Form eines, im wahrsten Sinne des Wortes „mobilen Arbeitsplatzes” ausgerüstet sein, um andauernde kurze Arbeitswege nicht nur zu erleichtern, sondern auch der weit verbreiteten Schädigung des Rückens aufgrund schlechter Haltung vorzubeugen.
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Ein besonders starker Einsatz ist auch im Sport- oder Freizeitbereich zu erwarten, da sich die Möglichkeiten einer dynamischen Weiterentwicklung des Prototypen zu einem Stilobjekt leicht erahnen lassen.
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Der innovative Gehalt der Erfindung wird die Anwendungsmöglichkeiten des Rollautomaten in Zukunft noch erhöhen.
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[Beispiele]
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Anhand von Zeichnungen werden vorteilhafte Ausführungen der Erfindung näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 den Rollautomaten mit einem Rad als Rollelement,
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2 den Rollautomaten mit einer Kugel als Rollelement.
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Der in 1 dargestellte Rollautomat besteht vornehmlich aus einem lastaufnehmenden Gehäuse 1, einem als veränderlicher Bodenauflagepunkt 13 dienenden Rad 7 und einem in dem Gehäuse 1 frei drehbar angeordneten Tragrohr 15, welches die Lastaufnahme 5 entlang einer im Gehäuse 1 verlaufenden Mittelachse 6, mit dem auf einer Achse 8 laufenden Rad 7 verbindet.
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Generell sind sämtliche Teile des Rollautomaten rotationssymmetrisch um die Mittelachse 6 ausgelegt.
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Sein Aufbau gliedert sich auch von oben nach unten in drei wesentliche Teile:
- – einem Oberteil 2, in welchem die für den Antrieb und die Lenkung des Rades 7 notwendigen Motore 10, 11 einschließlich der auch als Schwungkörper verwendbaren Kraftspeicher bzw. Akkus 18 sowie die Transmissionsaggregate 16, 17 untergebracht sind,
- – einem Mittelteil in Form eines Schaftes 3, durch den die Kraftübertragungen des Antriebes 14 für den Vor- und Rücklauf des Rades 7 geführt sind, koaxial umgeben vom Tragrohr 15, welches als Hohlwelle zur Änderung der Spurrichtung des Rades 7 dient und
- – einem Unterteil 4, in dem sich innerhalb einer Erweiterung des Tragrohres 15 ein Teil der Transmission 16 für den Antrieb des Rades 7 verbirgt.
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Für die selbsttätige Lagekorrektur des Rollautomaten, d. h. die Ausrichtung der Mittelachse 6 zu einer Senkrechten gegenüber dem Boden 12, wird die Masseträgheit des Automaten und dessen, durch die im Oberteil 2 angeordneten Aggregate, möglichst hoch liegendem Schwerpunkt genutzt.
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Zum einen kann die Drehbewegung des Tragrohres 15 gegen das Gehäuse 1 bzw. die Schwungmasse aufgrund dessen Masseträgheit die entsprechende axiale Drehbewegung des Rades 7 gegen die Reibung am Boden 12 überwinden und so dessen Spur ausrichten.
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Zum anderen kann das Rad 7 durch die Reibung am Boden 12 in seinem Lauf gegen die Masseträgheit des Schwerpunktes anfahren und, indem der Auflagepunkt 13 um den Schwerpunkt schwenkend unter diesen bewegt wird, die Mittelachse 6 des Rollautomaten wieder aufrichten.
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Um beim Aufrichten optimale Kraftverhältnisse zu erreichen und um Irritationen bei der Sensorik vorzubeugen, ist die Lauffläche quer zur Spurrichtung des Rades 7 mit dessen Radius sphärisch gewölbt ausgeführt. Dadurch wird ein Absenken des Radmittelpunktes bei seitlicher Neigung des Rades 7 ausgeschlossen. Das Rad 7 ist im unteren erweiterten Ende des Tragrohres 15 auf der Achse 8 mittig gelagert.
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Mit genügendem Spiel ist um das Rad 7 herum, durch einen am unteren Ende des Gehäuses 1 justierten gleitfähigen Abstandsreif 22, ein Ringschlitten 19 geführt, welcher über den Boden 12 schleift und der, durch die um diesen herum ebenfalls mit genügendem Spiel am Gehäuse 1 entsprechend ringförmig angeordneten Sensoren 20, zur Indikation der aktuellen Neigung des Rollautomaten dient.
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Zur Ermittlung der Korrekturwerte werden mittels einer zum Boden 12 parallel liegenden Kante 21 des Schlittens 19 die Differenzen der Horizontalebene des Rollautomaten zur Ebene des Bodens 12 über die sensorischen Kontakte 20 erfasst. Die entsprechenden Signale werden zu einem elektronischen Impuls zur Steuerung der Motore 10, 11 verschaltet bzw. verrechnet. Es können auch alternative Bodenabtastungen zur Schlittentechnik eingesetzt werden.
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In 2 ist ein Rollautomat mit einer Kugel 9 als Rollelement dargestellt.
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Es werden die Hauptunterschiede gegenüber dem Rollautomaten gemäß 1 beschrieben.
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Die Kugel 9 als Rollelement wird nicht direkt, sondern von einem auf ihr laufenden Reibwerk 25 gesteuert und angetrieben.
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Im Tragrohr 15 lagert das Reibwerk 25, während die Kugel 9 in einem am unteren Ende des Gehäuses 1 fixierten Kugellagerring 26 geführt ist.
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Das Reibwerk 25 besteht aus einer Antriebswalze 23 und den sie beidseitig flankierenden, über ein Umlaufdifferential 25 miteinander synchronisierten und einzeln gesteuerten Lenk- bzw. Führungsrädern 24.
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Gemeinsam stellen sie den Kraftschluss zur Kugel 9 durch Reibung her. Die Transmissionsaggregate 16, 17 wurden entsprechend ergänzt bzw. modifiziert und auch das Tragrohr 15 ist im Durchmesser breiter ausgeführt, zwecks Aufnahme des Reibwerkes 25 samt entsprechender Transmissionsmittel 16, 17. Die Kräfte der im Oberteil 2 des Gehäuses 1 befindlichen Motore 10, 11 werden einzeln auf die Lenkräder 24 und die Walze 23 mittels mindestens drei ineinander gelagerter Rohrwellen 27 übertragen, welche längs im Tragrohr 15 verlaufen und das Oberteil 2 mit dem Schaft 3 drehend gelagert verbinden. Auch bei der Kugelversion sind sämtliche Teile generell rotationssymmetrisch um die senkrechte Mittelachse 6 angelegt.
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Ebenfalls wird zur Neigungsmessung die ringförmige Kante 21 des Schlittens 19 gegenüber dem Sensorenring 20 ausgerichtet. Die Kugeln des Kugellagerringes 26 bilden hier den Abstandsreif 22 für den Schlitten.
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Das Konzept der Fahrkugel ist wesentlich schwieriger umzusetzen als das der Rad-Version, da die Abmessung der Kugel 9 den gesamten Aufbau bestimmt, zumal auch ein direkter Kraftschluss nicht möglich ist. Die Antriebsaggregate müssen bei geringen Toleranzen auf engstem Raum verhältnismäßig fein aufeinander abgestimmt sein.
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Der Vorteil liegt in einer günstigeren Richtungsspontaneität, da die Reibung der Kugel 9 am Boden 12 zur Drehung des Tragrohres 15 besser ausgenutzt werden kann. Bei der Radversion nimmt außerdem während der axialen Drehung des Rollelementes 7 eine geringe Abweichung des Bodenauflagepunktes 13 von der beabsichtigten Richtung mit steigender seitlicher Neigung der Mittelachse sowie bei zunehmender Größe des Rades 7 zu.
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Bei Rotation des Reibwerkes 25 auf der Kugel 9 entfällt diese Abweichung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Oberteil
- 3
- Schaft, Mittelteil
- 4
- Unterteil, Glocke
- 5
- Lastaufnahme
- 6
- Mittelachse
- 7
- Rad
- 8
- Radachse
- 9
- Kugel
- 10
- Antriebsmotor
- 11
- Richtungsmotor
- 12
- Boden
- 13
- Bodenauflagepunkt
- 14
- Antriebswellen
- 15
- Tragrohr
- 16
- Transmission Antrieb
- 17
- Transmission Lenkung
- 18
- Akkupaket, Schwungmasse
- 19
- Schlitten
- 20
- Sensorenring
- 21
- Ringförmige Kante des Schlittens
- 22
- Abstandsreif
- 23
- Walze
- 24
- Lenkräder
- 25
- Umlaufdifferential, Reibwerkeinheit
- 26
- Kugellagerring
- 27
- Welleneinheit
- 28
- Übersetzungsräder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011/068160 A [0002]
- DE 19820059 A1 [0005]
