Ein Radfahrwerk mit passiver Federung für mobile Roboterassistenten

Abstract

Mobile Roboterassistenten sind mobile Roboter, die Menschen bei Alltags- und Arbeitsaufgaben unterstützen und entlasten, gefährliche Arbeiten übernehmen und mit Menschen interagieren können. Sie sollen sich in strukturierten Alltags- und Arbeitsumgebungen des Menschen bewegen können, mit mindestens einem Roboterarm ausgestattet sein und Nutzlasten von etwa 20 bis 80 kg tragen können. Bisher wurden Forschungsdemonstratoren entwickelt, die starre Radfahrwerke haben. Auch Radfahrwerke anderer mobiler Roboter sind fast ausnahmslos starr und benötigen ebenen harten Boden und mehr Platz zum Manövrieren als ein Mensch. Ziel dieser Arbeit ist es daher, zu untersuchen, ob sich Radfahrwerke für mobile Roboterassistenten nicht mit starren, sondern gefederten Radaufhängungen entwickeln lassen, mit denen es möglich ist, Bodenunebenheiten auszugleichen, Stöße und Vibrationen durch Unebenheiten im Fahrweg aufzunehmen und dabei Schleudern oder Kippen unter allen zu erwartenden Fahrsituationen zu verhindern. Ausgangspunkt dieser Untersuchungen sind die Erkenntnisse zur Fahrdynamik von Straßen- und Schienenfahrzeugen sein, die sich aber nur beschränkt auf Radfahrwerke mobiler Roboterassistenten übertragen lassen. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Einsatzszenarien analysiert und ein Spektrum von Anforderungen an mögliche Realisierungsvarianten abgeleitet. Daraus werden Konzepte für Teil- und Gesamtsystem des Fahrwerks entwickelt und vergleichend bewertet. Für ein Konzept für Grundflächengeometrie und Radanordnung werden Fahrdynamikmodelle entwickelt, die in als extrem angenommenen Fahrsituationen simuliert werden. Aus diesen Ergebnissen und weiteren relevanten Gleichungen zu Fahrwerk und Antriebsstrang werden Auslegungsdiagramme und ein Vorgehensmodell entwickelt, das den Engineeringprozess von mobilen Roboterassistenten unterstützen kann. Schließlich werden die entwickelten Modelle und Auslegungsdiagramme durch Messungen an einer prototypischen Realisierung verifiziert und diskutiert.

Mobile robot assistants are mobile robots, supporting and interacting with humans in their everyday-life tasks at home and at work. They are equipped with at least one robot arm and should carry payloads of about 20 to 80 kg. They should be able to maneuver in structured living- and working environments and in public areas. Until now, there only exist some early experimental prototypes as demonstrators for research and technology but no clear commercial product breakthrough has yet been made. There are two specific reasons why, at least in part, this is the case. The first is due to the difficulty of overcoming uneven floors, typical of many locations in human environments, because the undercarriage is inflexible. The second is that large footprints and additional space required for turning on the spot makes maneuvering in confined spaces and through narrow passages virtually impossible. The scope of this thesis is to examine the feasibility of developing undercarriages for mobile robot assistants with suspended wheels in order to compensate for realistic drive surface conditions. Under the limitation of a small footprint and consequently a center of gravity high above ground, it is essential to avoid fishtailing or tipping over at any expected driving situation. Starting point of this examination is the well known dynamics of road and rail vehicles, however not all results can be transferred to mobile robots. In this thesis different application scenarios are analyzed and a spectrum of requirements for potential realizations is derived. Based on the requirements a number of concepts for undercarriage and suspensions are developed. For some of these concepts dynamic models are developed and simulated in extreme driving situations. With these results and other model equations for undercarriage and drive train, essential design diagrams and an engineering procedure are derived. Finally these models and diagrams are verified and discussed based on measurements at a prototype realization.