Der Einsatz mobiler Serviceroboter in enger Zusammenarbeit mit dem Menschen verspricht erhebliche Produk­tivitäts- und Qualitätssteigerungen in Anwendungsbereichen, die der Automatisierungstechnik bisher verschlossen waren. Beispiele sind die teilautonome Inspek­tion und Wartung prozesstechnischer Anlagen oder die kleinteilige Logistik und Montage. Typische Einsatzumgebungen für derartige Systeme sind jedoch häufig eng und verwinkelt. Damit ein Roboter sich sicher in einem solchen, ursprünglich für den Menschen geschaffenen Umfeld bewegen kann, muss er kompakt gebaut sein und eine hohe Beweglichkeit aufweisen. Neben einer Vielzahl weiterer Anforderungen kommt daher der Flexibilität und Manövrierbarkeit der mobilen Roboter eine hohe Bedeutung zu.

Omnidirektionale Fahrwerke auf Basis gelenkter Standardräder verbinden eine in der Ebene dem Menschen ähnliche Beweglichkeit mit den Vorteilen radbasierter Systeme wie hoher Robustheit, intrinsischer Sicherheit bei Stromverlust, Energie-Effizienz und hoher Traglast. Voraussetzung hierfür ist ein hoch integriertes mechatronisches Design sowie eine Regelung, welche unter Berücksichtigung der nicht-holonomen Zwangsbindungen – ein Rad darf sich nicht quer zu, sondern immer nur in Rollrichtung bewegen – maximale Flexibilität ermöglicht.

Vor diesem Hintergrund wurde am Fraunhofer IPA ein modulares Fahrwerk entwickelt, welches genau diese Anforderungen erfüllt; und zwar durch enge Verzahnung von mechatronischem und regelungstechnischem Entwurf sowie der Einführung einer neuen kinematischen Beschreibung. Die Radmodule wurden dabei so ausgelegt, dass ein damit entworfenes Fahrwerk mit vier Rädern mit einer Geschwindigkeit von 1,2 m/s und einer Zuladung bis 150 kg die für die Servicerobotik typische Anforderungen erfüllt. Der Modul-Ansatz erlaubt weiterhin den einfachen Aufbau von Fahrwerken mit beliebiger Geometrie sowie die einfache Skalierung je nach Anforderung der Anwendung.

Das mechatronische Design

Bei der mechanischen Gestaltung omnidirektionaler Fahrwerke mit gelenkten Standardrädern stellt zunächst die platzsparende Anordnung der benötigten Antriebe eine Herausforderung dar. Derzeit am Markt erhältliche Radmodule sind überwiegend für die Verwendung in großen Flurförderfahrzeugen ausgelegt, bei denen die Abmessungen eine unter­geordnete Rolle spielen. Häufig werden in diesen Fällen die Antriebe oberhalb des Rades angeordnet, was jedoch ein Überlagerungsgetriebe erfordert, zu einer relativ großen Bauhöhe führt und somit insbesondere die Gestaltung flacher Transportplattformen erschwert. In kompakt gebauten Servicerobotern sind solche Module hingegen kaum einsetzbar.

Alternativ ist der Fahrmotor innerhalb der Aufhängung des Radmoduls platzierbar. Die Unterbringung des Fahrmotors im durch den Lenkmotor bewegten System bringt jedoch generell Probleme bei der Kabelführung mit sich: Die Nutzung von Schleifringen zum Herausführen aller Kabel aus dem Radmodul wird durch die hohe Anzahl der Leitungen für Energie und Motorfeedback erschwert und kann negative Auswirkungen auf die Signalgüte haben. Da auch die gängige Unterbringung des Fahrmotors außerhalb der Radaufhängung signifikante Nachteile wie eine hohe Baugröße und Getriebeverluste aufweist, haben sich die Fraunhofer-Entwickler letztendlich dafür entschieden, den Antriebsmotor in der Radnabe unterzubringen. Die benötigten Drehmomente werden dabei durch ein integriertes Planetengetriebe erreicht.

Dem bei dieser Anordnung auftretenden Problem der Kabelführung wurde mit zwei Maßnahmen begegnet: Zum einen wurde der Motorcontroller für den Fahrmotor ebenfalls auf der Gabel angeordnet, was dazu führt, dass die Kabel für Motor und Bremse und insbesondere die empfindlichen Signalleitungen für das Motorfeedback nicht durch einen Schleifring geführt werden müssen. Zum anderen kam für die verbliebenen Leitungen statt eines herkömmlichen Schleifrings eine bürstenlose Drehdurchführung zur Anwendung, die weniger Störungen in die Signalübertragung einbringt.

Für den Entwurf der Federung wurden mehrere Konzepte hinsichtlich Gestalt und Position der einzusetzenden Federn entwickelt und im CAD-Modell evaluiert. Als beste Lösung erwies sich schlussendlich die Aufteilung in drei Federbeine, welche im Kreis um das Rad und den integrierten Motorcontroller herum angeordnet sind. Durch diese Anordnung fällt die Bauhöhe des Radmoduls wesentlich geringer aus. Und aufgrund des relativ großen Abstandes der Federbeine voneinander können die beim Beschleunigen auftretenden Momente gut aufgenommen werden.

Aufgrund der Tatsache, dass sich Standardräder nicht quer zu ihrer Laufrichtung bewegen können, kommt es zu den angesprochenen nicht-holonomen Bindungen, die bei der Regelung zu berücksichtigen sind. Eine geometrische Beschreibung dieser nicht-holonomen Bindungen ist der Momentan-Pol. Er definiert zum einen den Punkt, um den ein Körper eine verallgemeinerte Rotation ausführt. Im Extremfall kann das auch eine Gerade sein. Zum andere ist er für Standardräder durch den Punkt gegeben, in welchem sich alle Radachsen schneiden. Damit ist es möglich, die Konfigurationsgrößen (Lenkwinkel aller Räder) mit der Bewegung des Roboters in einen festen Zusammenhang zu setzen, der die nicht-holonomen Bindungen intrinsisch berücksichtigt. Der Parameterraum des Momentan-Pols ist daher eine vielversprechende Grundlage zur Formulierung einer geeigneten Regelung.

Allerdings treten Singularitäten in diesem Zustandsraum auf, wenn der Momentan-Pol der mobilen Plattform mit einer Radachse zusammenfällt. Um diese singulären Bereiche zu vermeiden, wird in bisherigen Ansätzen der zulässige Konfigurations- beziehungsweise Arbeitsraum des Fahrwerks entweder durch eine entsprechend ausgelegte Bahnplanung oder im Zuge der unterlagerten Regelung eingeschränkt. Eine Möglichkeit ist zum Beispiel die Einführung abstoßender, virtueller Kraftfelder, die den Momentan-Pol von diesen kritischen Bereichen fern halten.

Praktisch bedeutet dies für alle derzeit bestehenden Ansätze eine Einschränkung der Flexibilität und Beweglichkeit des Roboters. Der vollständige Arbeitsraum lässt sich demnach nur unter Ver­letzung der nicht-holonomen Bindungen nutzen. Eine solche Verletzung bedeutet immer ein Durchrutschen beziehungs­weise Schieben der Räder. Das kann bei wiederholtem Auftreten zu einem unru­higen Laufverhalten beziehungsweise zu einer Beschädigung des Fahrwerks, des transportierten Gutes oder des Unter­grundes führen.

Die Erweiterung des zulässigen Konfigurationsraumes

Um die Flexibilität omnidirektionaler Fahrwerke voll auszunutzen, galt es also, eine erweiterte Repräsentation des zulässigen Konfigurationsraumes zu entwickeln. In einem ersten Schritt wurde der Parameterraum dazu an seinen Grenzen stetig fortgesetzt. Strukturell kann man sich den erweiterten Parameterraum als Torus beziehungsweise „Donut“ vorstellen. Anschaulich bedeutet das: Um auf der Oberfläche des Donuts von der gegenwärtigen Parameterkonfiguration zur Zielkonfiguration zu kommen, stehen nun mehrere Wege zur Auswahl. Dies ermöglicht eine Auflösung der rein durch die mathematische Repräsentation verursachten Singularitäten des Systems.