Entwicklung kompakter Antriebsmodule mit gefederten, unbegrenzt drehbaren, gelenkten Standardrädern für den Einsatz in omnidirektionalen Roboterplattformen

Abstract

Für mobile Roboter, die sich in für Menschen gemachten Umgebungen bewegen, um diese zu unterstützen und durch die Übernahme von Arbeitsaufgaben zu entlasten, sind omnidirektionale Fahrwerke mit ihrer hohen Beweglichkeit von großem Vorteil. Allerdings sind nur Fahrwerke mit gelenkten Rädern in der Lage, sich sicher auf unebenen Untergründen zu bewegen. Derzeitige Fahrwerke mit gelenkten Rädern sind jedoch häufig nicht im Bauraum optimiert. Zudem fehlen in der Regel eine Federung und die Möglichkeit, das Rad unbegrenzt um die Lenkachse drehen zu können. Dies sind zwei wichtige Voraussetzungen, um dynamische Fahrmanöver auszuführen und die Herausforderungen der Einsatzumgebungen zu meistern. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Untersuchung, welche konstruktiven Teillösungen für die Gestaltung besonders kompakter Fahrwerke mit gelenkten Standardrädern geeignet sind. Zielsysteme waren mobile Roboter mit einem Gesamtgewicht zwischen 150 kg und 300 kg, die beispielsweise mit einem Roboterarm für Manipulationsaufgaben ausgestattet sein können. Weiterhin bestand das Ziel dieser Arbeit in der Entwicklung mehrerer Antriebsmodulprototypen und deren anschließender Evaluierung. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst der Stand der Technik betrachtet, eine Anforderungsanalyse durchgeführt und die Anforderungen quantifiziert und kategorisiert. Anschließend wurden Lösungsprinzipien für alle relevanten Teilkomponenten eines Antriebsmoduls identifiziert und diskutiert. Darauf aufbauend wurden zwei Lösungskonzepte gebildet, jeweils eine für die Konstruktion eines Antriebsmoduls mit einem Rad und eines Antriebsmoduls mit zwei Rädern. Eine Evaluierung aller Anforderungen, die zu diesem Zeitpunkt bereits bewertet werden konnten, zeigte, dass die beiden Konstruktionen alle Muss-Anforderungen und die überwiegende Mehrzahl der Wunsch-Anforderungen erfüllen. Zudem fielen die beiden Antriebsmodule sowohl in der Bauhöhe als auch im Durchmesser deutlich kompakter aus, als vergleichbare Konstruktionen aus dem Stand der Technik. Die zwei Antriebsmodule wurden schließlich gefertigt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Anschließend erfolgte eine Prüfung der Funktionstauglichkeit und die Evaluierung hinsichtlich der verbleibenden Forderungen und Wünsche in praktischen Tests. Auch hier konnten nahezu alle Anforderungen vollständig erfüllt werden und somit die Tauglichkeit der entwickelten Antriebsmodule für den praktischen Einsatz nachgewiesen werden. Ein Vergleich der beiden Konzepte zeigte dabei, dass diese jeweils unterschiedliche Stärken und Schwächen haben, so dass je nach Einsatzgebiet entweder die eine oder die andere Variante bevorzugt werden sollte.

For mobile robots, operating in environments made for humans to support them and to disburden them by taking over tasks, omnidirectional undercarriages with their high maneuverability are a substantial advantage. To move safely on uneven terrain, only undercarriages with steered wheels are suitable. Current undercarriages with steered wheels are however often not optimized in terms of constructed space. In addition, a suspension and the possibility to rotate the wheel around the steer axis without restriction are often missing. These are two important prerequisites to perform dynamic driving maneuvers and to master the challenges of the use environments. The presented thesis therefore deals with the analysis, which partial solutions are suitable for the design of particularly compact undercarriages with steered standard wheels. Target systems were robots with an overall weight of 150 kg to 300 kg, which can for example be equipped with a robot arm for manipulation tasks. Furthermore, the goal of this thesis was to develop several prototypes of drive modules and their subsequent evaluation. To reach this goal, first the state of the art was examined, a requirement analysis was performed and the requirements were quantified and categorized. After that, solution principles for all relevant sub-parts of a drive module were identified and discussed. Based on this, two solution concepts were formed, one for a drive module with one wheel and one for a drive module with two wheels. An evaluation of all requirements that could be assessed at that time showed, that both designs fulfill all shall-requirements and the vast majority of should-requirements. In addition, both drive modules were considerably more compact in height and diameter than similar designs from the state of the art. Finally, the two drive modules were manufactured, assembled and commissioned. This was followed by an assessment of the functional ability and a practical evaluation with respect to the remaining shall and should requirements. Again, almost all requirements could be fully satisfied and thus the feasibility for practical use be proved. A comparison of the two concepts showed that both have individual strengths and weaknesses, so that depending on the application one or the other should be preferred.