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Dokumentenidentifikation DE19716740C1 19.11.1998
Titel Vorrichtung zum Bewegen eines Roboters oder Fahrzeugs auf der Fläche einer Glaskonstruktion
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80636 München, DE
Erfinder Schmucker, Ulrich, Dr., 39167 Irxleben, DE;
Kubbe, Ingo, 39114 Magdeburg, DE;
Elkmann, Norbert, 39104 Magdeburg, DE;
Scharfe, Holger, 39130 Magdeburg, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER, 10707 Berlin
DE-Anmeldedatum 11.04.1997
DE-Aktenzeichen 19716740
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.11.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.11.1998
IPC-Hauptklasse B25J 5/00
IPC-Nebenklasse G01B 21/02   F15B 15/28   A47L 1/02   
IPC additional class // A47L 1/02,11/38  
Zusammenfassung Es wird eine Vorrichtung zum Bewegen eines Roboters oder Fahrzeugs auf der Fläche einer Glaskonstruktion vorgeschlagen, die einen mit Rädern versehenen Tragrahmen, der Bestandteil des Roboters oder Fahrzeugs ist, aufweist, wobei mindestens ein Rad als abhebbares Antriebsrad ausgebildet ist. Das Antriebsrad besteht aus einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten in Fahrtrichtung, während die übrigen Räder aus einem Material mit niedrigem Reibungskoeffizienten hergestellt sind. Weiterhin sind mindestens zwei mit Abstand zueinander angeordnete, Halteseile aufnehmende Seiltrommeln mit Trommelantrieb zum Halten des Tragrahmens vorgesehen. An dem Tragrahmen sind eine Einrichtung zum Feststellen der seitlichen Abweichung und der Verdrehung des Tragrahmens in bezug auf die lineare Vorwärtsbewegung und eine Einrichtung zur Korrektur der seitlichen Abweichung sowie zur Korrektur der Verdrehung angebracht. Eine Steuereinrichtung steuert bzw. regelt abhängig von der Größe der seitlichen Abweichung und der Verdrehung die Korrektureinrichtung.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bewegen eines Roboters oder Fahrzeugs auf der Fläche einer Glaskonstruktion.

In letzter Zeit werden verstärkt Hallen aus Glas bzw. mit großen Glasflächen gebaut, bei denen die Glasscheiben Glashalterungen einer Gitternetzkonstruktion, die als Außen- oder Innenskelett ausgebildet ist, gehalten werden. Häufig sind derartige Hallen so ausgebildet, daß die Glasscheiben ausgehend von dem Scheitelpunkt des Dachs jeweils zu der vorhergehenden Scheibe um einen bestimmten Winkel geneigt sind. Da sich bei solchen großen Glasflächen die Frage der Reinigung derselben stellt, werden Überlegungen über den Einsatz von Reinigungsrobotern angestellt.

Bei Bewegung eines Roboters oder eines Fahrzeugs auf Glasflächen besteht ein Hauptproblem in der Wahl einer geeigneten Kinematik für den Antrieb und die Richtungssteuerung des Roboters bzw. Fahrzeugs. Wenn die Konstruktion der Glasfläche Elemente aufweist, die als Führungselemente für den Roboter dienen können und die einen Krafteintrag erlauben, z. B. Schienensysteme, werden diese Elemente für die Fortbewegung benutzt. Sind solche konstruktiven Elemente nicht vorhanden bzw. ungeeignet, muß die Krafteinleitung direkt in das Glas erfolgen.

Für diesen Fall treten Probleme dahingehend auf, daß zur Fortbewegung des Roboters das beispielsweise als Rad ausgebildete Antriebselement eine Kraft auf das Glas aufbringen muß, die einerseits größer, ist als der Rollreibungswiderstand zwischen Glas und Rad plus dem Haft- und Rollreibungswiderstand des jeweiligen Antriebsstranges, wie Motor, Lager und dergleichen. Andererseits muß die aufgebrachte Kraft kleiner sein als der Haftreibungswiderstand zwischen Rad und Glas, da ansonsten Schlupf auftreten würde und das Rad "durchdrehen" würde. Da die Beträge der genannten minimalen und maximalen Kräfte bei kleinen Reibungskoeffizienten sehr nahe beieinanderliegen, ist eine sehr feinfühlige Regelung erforderlich.

Neben der Fortbewegung ist außerdem eine wie immer geartete Lenkung, d. h. Beeinflussung der Bewegungsrichtung, erforderlich. Die vom Auto bekannten Lenkkonstruktionen sind aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Platzes nicht geeignet.

Aus der EP 0 271 454 ist eine Vorrichtung zur Wartung von senkrechten Glasfassaden von Gebäuden bekannt. Diese Vorrichtung weist einen Rahmen auf, an dem Behälter mit Reinigungsflüssigkeit und Reinigungselemente befestigt sind. Zur senkrechten Fortbewegung können an einer Winde befestigte Halteseile und Mittel vorgesehen sein, die die Reinigungselemente gegen die Glasfassade drücken.

Die EP 0 505 956 beschreibt eine Reinigungsvorrichtung für senkrechte Fassaden, die ein Antriebsteil und einen Reinigungsteil mit Bürsten aufweist. Das Antriebsteil ist mit an Rampen befestigten Saugnäpfen und einem Motor mit Übertragungselementen für den Antrieb der Rampen versehen. Die Fassade weist Nuten auf, in denen mit einem die Elemente des Reinigungs- und Antriebsteils aufnehmenden Tragrahmen verbundene Schienen geführt sind.

Die DE 27 37 619 offenbart eine Vorrichtung zum Reinigen von Dachkanten von Traglufthallen, die einen Wagen mit Laufrädern und rotierenden Reinigungsbürsten umfaßt, wobei als Antriebsmittel zwei Zugseile angreifen, mit welchen der Wagen gezogen werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bewegen eines Roboters oder Fahrzeugs auf der Fläche einer Glaskonstruktion zu schaffen, die eine störungsfreie Vorwärtsbewegung ohne zu starke punktförmige Lasteinträge, die eine Bruchgefahr des Glases hervorrufen können, gewährleistet und die eine Korrektur der Bewegung in Querrichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Antriebsrad mit hohem Reibungskoeffizienten in der Laufrichtung des Rades in Fahrtrichtung und nichtangetriebene Räder mit sehr geringem Reibungskoeffizient aufweist, wobei alle Räder an einem Tragrahmen befestigt sind, wird einerseits eine saubere Vorwärtsbewegung des Bestandteil eines Roboters oder eines Fahrzeugs seienden Tragrahmens ohne Durchdrehen oder Schlupf und andererseits ein leichtes seitliches Schieben oder Drehen ermöglicht. Mit entsprechenden Einrichtungen wird die seitliche Abweichung und die Verdrehung des Tragrahmens festgestellt und entsprechende Korrekturen vorgenommen, wobei eine Steuereinrichtung die Korrektureinrichtungen abhängig von der Größe der seitlichen Abweichung und der Verdrehung steuert.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen Reinigungsroboter, der die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist.

In der Figur ist ein Roboter 1 dargestellt, der auf einem Glasdach bzw. einer Glasumhüllung einer Halle verfährt und dabei die Glasfläche entsprechend seiner Breite reinigt. Dabei ist die dargestellte Ausführungsform für die Reinigung einer Gitternetzkonstruktion geeignet, die ein Raster vorgegebener Abmessung bildet. Die Glasscheiben sind dabei an Glashalterungen unter der Gitternetzkonstruktion angebracht.

Der Reinigungsroboter weist einen Tragrahmen 2 auf, an dem die notwendigen Bauteile befestigt sind. An dem Tragrahmen 2 sind an allen vier Ecken freilaufende Räder 4 angebracht, die vorzugsweise aus einem Teflonmaterial bestehen bzw. eine Teflonbeschichtung aufweisen. Es kann auch ein anderes Material gewählt werden, wichtig ist, daß es ein Material mit sehr geringem Reibungskoeffizienten ist, wodurch sich der Roboter 1 leicht schieben und drehen läßt. Weiterhin ist an dem hinteren Teil des Rahmens 2 mittig ein beispielsweise von einem Elektromotor angetriebenes Antriebsrad 3 vorgesehen, das den Tragrahmen 2 insbesondere auf waagerechten Glasflächen bewegt. Dieses Antriebsrad 3 ist über einen pneumatischen Zylinder 5 von der Glasfläche abhebbar bzw. absenkbar. Das Antriebsrad 3 besteht aus einem Material, das einen hohen Reibungskoeffizienten besitzt.

Da der Roboter im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Reinigungsroboter ausgebildet ist, ist in Fahrtrichtung gesehen vorn an dem Tragrahmen senkrecht zur Verfahrrichtung eine Walzenbürste 6 befestigt, die sich über die gesamte Breite des Tragrahmens 2erstreckt. Seitlich des Tragrahmens sind langgestreckte Arme 7 angeordnet, an denen Tellerbürsten 8 befestigt sind. Die Arme 7 sind ein- und ausfahrbar ausgebildet.

Am hinteren Ende des Tragrahmens 2 sind zwei Seiltrommeln 9 angeordnet, die soweit wie möglich nach außen versetzt sind. Auf den Seiltrommeln 9 sind nicht dargestellte Seile aufgewickelt, die normalerweise als Sicherheitsseile gegen Abstürzen des Roboters dienen und die beim Verfahren des Rotors von den Seiltrommeln 9 abgewickelt werden. Bei gekrümmten oder geneigten Glasflächen dienen sie außerdem zum Hochziehen des Roboters 1. Den Seiltrommeln 9 sind jeweils Elektromotoren aufweisende Trommelantriebe 10 mit entsprechenden Zahnradübertragungen zugeordnet. Die Seile sind jeweils über die Breite der Seiltrommeln aufgenommen und werden mit vorgegebener Seilzugspannung auf- bzw. abgewickelt. Dazu sind den jeweiligen Seiltrommeln Meßeinrichtungen 11 zur Messung der Seilzugkraft zugeordnet. Die Trommelantriebe und die als Seilzugsensoren ausgebildeten Meßeinrichtungen 11 sind für jede Seiltrommel 9 zu einem Regelkreis zusammengeschaltet, über den die gegebene Seilzugspannung eingehalten werden kann. Dazu sind sowohl die Trommelantriebe 10 als auch die Seilzugsensoren 11 mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden.

Der Roboter 1 verfügt weiterhin über zwei Meßräder 12, die in der Nähe der Seiltrommeln 9, idealerweise direkt über dem Einlaufpunkt des Seiles auf der Trommel (dies ist allerdings nicht zu realisieren, da sich der Einlaufpunkt über die Breite der Seiltrommel 9 ändert), angebracht sind. Die Meßräder 12 sind gleichfalls mit der nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden und sind mit den Seiltrommelantrieben 10 und dem Elektroantrieb des Antriebsrades 3 zu Regelkreisen ausgebildet. Über die Meßräder 12 wird beispielsweise durch Zählen der Umdrehungen der Meßräder 12 die zurückgelegte Wegstrecke bestimmt. An dem Tragrahmen können außerdem Sensoren, wie Abstandssensoren vorgesehen sein, die die Konstruktionselemente detektieren, wodurch eine weitere Aussage über die zurückgelegten Wege getroffen werden kann, da die Konstruktionselemente in vorgegebenen Rastern bzw. Abmaßen angeordnet sind. Abhängig von den Signalen dieser Sensoren können die Meßräder 12 nachjustiert werden.

Der Tragrahmen 2 ist mit seitlichen Gleitschienen 13 versehen, die über jeweils eine pneumatische Kolben- Zylinder-Anordnung 14 aus- und einfahrbar sind und die zum Abstützen an außenliegenden Konstruktionsteilen dienen. Die Druckluft für die pneumatischen Bauteile wird über einen nicht dargestellten, am Tragrahmen 2 befestigten Kompressor gewonnen.

Auf dem Tragrahmen sind eine Schlauchtrommel 15 und eine Kabeltrommel 16 mit entsprechenden Antrieben befestigt, die zur Zuführung von Wasser über einen Schlauch und zur Zuführung einer Versorgungsspannung über ein Kabel dienen. Der Schlauch der Schlauchtrommel 15, das Kabel der Kabeltrommel 16 und die Seile der Seiltrommeln 9 sind zu einen Befahranlagenwagen geführt und an diesem angebracht, der nicht dargestellt und der am oberen Scheitelpunkt einer Halle über deren Länge verfahren wird.

Die nicht dargestellte Steuereinrichtung ist als Mikrocomputer oder PC ausgebildet, und sie steuert bzw. regelt den gesamten von dem Roboter 1 durchgeführten Reinigungsvorgang sowie das Verfahren des Roboters 1.

Zu Beginn des Reinigungsvorganges wird der Roboter 1 von dem Befahranlagenwagen am Scheitelpunkt des Glasdaches abgesetzt, und das Antriebsrad ist abgesenkt. Es arbeitet gegen die von den Seiltrommeln 9 sich abwickelnden Seile, wodurch über die Regelkreise, durch die die Meßwerte der Seilzugsensoren verarbeitet werden auf die vorgegebene Seilzugspannung geregelt wird. Dies geschieht über entsprechende Signale, die die Steuereinrichtung an die Trommelantriebe 10 liefert. Zu Beginn des Verfahrens werden außerdem die Gleitschienen 13 ausgefahren, bis sie jeweils an die Konstruktionselemente im Raster der Gitternetzkonstruktion anstoßen, wodurch der Roboter 1 sich zwischen dem Raster ausrichtet, da die nichtangetriebenen Räder aufgrund des geringen Reibungskoeffizienten keinen Widerstand gegen ein seitliches Verschieben darstellen. Allerdings ist in diesem Fall des Ausrichtens das Antriebsrad 3 angehoben. Nach dem Ausrichten werden die Kolben-Zylinder-Anordnungen drucklos gemacht, und der oben beschriebene Beginn des Verfahrens bei abgesenkten Antriebsrad 3 wird durchgeführt.

Während der Vorwärtsbewegung des Roboters, die durch das abgesenkte Antriebsrad 3 mit hohem Reibungskoeffizienten initiiert wird, kommt es bedingt durch äußere oder innere Einflüsse, beispielsweise durch die konstruktiven Elemente des Glasdachs, durch eine leichte Schrägstellung des Roboters, bei der Positionierung bzw. Ausrichtung usw., während des Verfahrens zu einer Abweichung von der gewünschten Fahrtrichtung, die nach einer gewissen Fahrstrecke durch eine Drehung oder seitliche Verschiebung des Roboters 1 ausgeglichen werden muß. Zur Feststellung der Verdrehung des Roboters 1 werden die an die Steuereinrichtung gelieferten Meßergebnisse der Meßräder 12 verwendet. Während der Mittelwert der Meßergebnisse der beiden Meßräder 12 Auskunft über den zurückgelegten Weg gibt, bestimmt die Differenz zwischen den Meßergebnissen des einen und den Meßergebnissen des anderen Meßrades 12 die Winkelverdrehung des Roboters, die von der Steuereinrichtung berechnet wird. Die Steuereinrichtung überwacht die Größe der Winkelverdrehung und gibt bei einem bestimmten Schwellenwert ein Signal zum Korrigieren der Verdrehung aus.

Die seitliche Verschiebung wird über die Gleitschienen 13 festgestellt. Wenn der Roboter seitlich von der gewünschten Fahrtrichtung abkommt, stößt er gegen die vorhandenen Konstruktionselemente an, und, da die Kolben-Zylinder-Anordnungen 14 drucklos gemacht wurden, wird der jeweilige Kolben langsam eingefahren. In bzw. an der Kolben-Zylinder-Anordnung ist ein Näherungssensor vorgesehen, der ein Signal an die Steuereinrichtung abgibt, wenn sich der Kolben nähert. Dieses Signal löst die notwendige Korrektur der seitlichen Abweichung aus.

Wenn die jeweiligen Korrekturen durchgeführt werden sollen, gibt die Steuereinrichtung ein Signal an den pneumatischen Antrieb für das Antriebsrad 3, wodurch letzteres von der Glasfläche abgehoben wird. Die seitliche Verschiebung wird durch erneutes Ausfahren der seitlichen Gleitschienen 13 durchgeführt.

Auch die Korrektur der Verdrehung wird bei abgehobenem Antriebsrad durchgeführt, wenn der Roboter 1 sich auf einer geneigten Glasfläche befindet. Dazu setzt die Steuereinrichtung die Regelung der Seiltrommeln 9 außer Kraft, deren dazugehöriges Meßrad 12 den geringeren Betrag bzw. das kleinere Meßergebnis hat. Für den Regelkreis der anderen Seiltrommel 9 gibt die Steuereinrichtung einen hohen Sollwert für die Seilzugspannung vor, wodurch der Antrieb 10 dieser Seiltrommel 9 so lange betätigt wird, bis durch Drehung des gesamten Roboters 1 um den Einlaufpunkt des stillstehenden Seils aufgrund des "Aufwickelns" des anderen Seils beide Meßwerte der Meßräder 12 übereinstimmen. Damit ist die Verdrehung korrigiert und das Antriebsrad kann wieder abgesenkt werden. Selbstverständlich kann die Korrektur auch durch Regeln der Seilzugspannungen über beide Regelkreise durchgeführt werden. Bei der Korrektur der Verdrehung des Roboters auf waagerechten Glasflächen, z. B. bei Beginn der Verfahrbewegung bleibt das Antriebsrad 3 im abgesenkten Zustand, so daß sich der Tragrahmen 2 um das Antriebsrad als Drehpunkt dreht.

Darüber hinaus erfolgt eine Stabilisierung der Bewegung des Roboters 1 dadurch, daß die vorderen, nicht angetriebenen Räder 4 senkrecht zur Radachse um einen geringen Winkel, im Ausführungsbeispiel z. B. 15°, drehbar gelagert sind, wobei die senkrechte Achse, in Fahrtrichtung gesehen, vor der Radachse angeordnet ist. Eine durch äußere Störungen bedingte Auslenkung der Räder aus der Fahrtrichtung führt zu einem Rückstellmoment, das die Räder 4 in die ursprüngliche Richtung zieht.

Das Zurückfahren des Roboters 1 wird bei angehobenem Antriebsrad 3 nur unter Verwendung der Regelkreise der Seiltrommeln 9 und der Meßräder 12 durchgeführt. Beim Wechsel der Bewegungsrichtung werden die ehemals vorderen Räder 4 in der Mittelstellung mit einem nicht dargestellten pneumatischen Zylinder arretiert und haben damit auch für diese Fahrtrichtung eine stabilisierende Wirkung.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Korrektur der Verdrehung über die Seilzugspannungen durchgeführt. Wenn der Raumbedarf vorhanden ist, ist es denkbar, daß die vorderen Räder 4 eine Lenkung aufweisen, durch die eine Lageveränderung vorgenommen werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Bewegen eines Roboters oder Fahrzeugs auf der Fläche einer Glaskonstruktion, mit einem mit Rädern (3, 4) versehenen Tragrahmen (2), der Bestandteil des Roboters (1) oder Fahrzeugs ist, und mit

    mindestens zwei mit Abstand zueinander angeordneten, Halteseile zum Halten des Tragrahmens aufnehmenden Seiltrommeln (9) mit Trommelantrieb (10), gekennzeichnet durch

    mindestens ein Rad, das als abhebbares Antriebsrad (3) ausgebildet ist,

    eine Einrichtung (13, 14, 12) zum Feststellen der seitlichen Abweichung und der Verdrehung des Tragrahmens (2) in bezug auf die lineare Vorwärtsbewegung,

    eine Einrichtung (13, 14) zur Korrektur der seitlichen Abweichung, eine Einrichtung (9, 10, 11) zur Korrektur der Verdrehung, und

    eine Steuereinrichtung, die abhängig von der Größe der seitlichen Abweichung und der Verdrehung die Korrektureinrichtungen ansteuert,

    wobei das absenkbare Antriebsrad (3) einen hohen Reibungskoeffizienten und die übrigen Räder (4) einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Feststellen der seitlichen Abweichung und Verdrehung mindestens zwei mit Abstand zueinander angeordnete Wegmeßeinheiten (12) aufweist, die mit der Steuereinrichtung verbunden sind und die den zurückgelegten Weg erfassen, wobei die Steuereinrichtung die Differenz zwischen dem jeweils von den Wegmeßeinheiten (12) zurückgelegten Weg bestimmt und abhängig von der Differenz die Einrichtung zur Korrektur der Verdrehung ansteuert.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Korrektur der Verdrehung die Trommelantriebe (10) der zwei Seiltrommeln sowie diesen zugeordnete Meßeinheiten (11) zur Messung der Seilzugspannung, die jeweils zusammen mit der Steuereinrichtung einen Regelkreis für die Seilzugspannung bilden, umfaßt, und daß zur Korrektur der Verdrehung die Regelkreise die Seilzugspannung mindestens einer Seiltrommel derart regeln, daß die Wegmeßeinheiten gleiche Werte liefern.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegmeßeinheiten als Meßräder ausgebildet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Korrektur der seitlichen Abweichung seitlich an dem Tragrahmen (2) angeordnete aus- und einfahrbare Drückelemente (13) aufweist, die sich an außenliegenden Konstruktionselementen der Glaskonstruktion abdrücken.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückelemente als pneumatisch angetriebene Gleitschienen (13) ausgebildet sind.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückelemente (13) mit pneumatischen Kolben-Zylinder-Anordnungen (14) verbunden sind und daß die Einrichtung zum Feststellen der seitlichen Abweichung an den Kolben-Zylinder-Anordnungen (14) angebrachte Sensoren zur Erfassung des Kolbenhubs aufweist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Meßräder (12) örtlich im Bereich der Seiltrommeln (9) angeordnet sind.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in Vorwärtsfahrtrichtung des Roboters (1) vorne angeordneten Räder (4) um einen geringen Winkel drehbar, jedoch auch feststellbar sind.
  10. 10. Vorichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Glasflächen bei Ansteuerung der Korrektureinrichtungen durch die Steuereinrichtung das Antriebsrad (3) von der Glasfläche abgehoben wird.






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