Konzeption und Konstruktion einer mobilen robotischen Einheit für das SwarmRail-System

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption und Konstruktion eines Funktionsdemonstrators für das SwarmRail-System. Dieses System kombiniert omnidirektional bewegliche, mobile Roboter mit einem weichenlosen, deckenmontierten Schienensystem, so dass eine Nutzlast ohne den Einsatz von aktiven Stellelementen verfahren werden kann. Die Nutzlast befindet sich in jedem Anwendungsfall unter der mobilen Robotereinheit. Die wesentliche Aufgabe des in dieser Arbeit entwickelten Roboters ist es, eine weichenlose Kreuzung sensorgeführt und ohne die Änderung der Orientierung in alle Richtungen zu durchfahren. Diese Arbeit konzentriert sich hierbei auf die mechanische Umsetzung des Systems. Elektronik, Sensorik und Software des Roboters wurden in einer separaten Bachelorarbeit erarbeitet. Auf die Schnittstellen zwischen den mechanischen und elektronischen Komponenten wurde sich im Vorhinein geeinigt und diese wurden im weiteren Verlauf der Arbeit präzisiert. Auf Basis der Patentanmeldung DE102017215166 und einigen Vorgaben zur Umsetzung, wurde eine Anforderungsliste erarbeitet. Des Weiteren wurden die grundlegenden technischen Problemstellungen identifiziert und daraus die notwendigen Funktionen und Teilfunktionen der mobilen Einheit abgeleitet. Diese wurden dann genauer untersucht und weitestgehend unter Nutzung kostengünstiger Rapid-Prototyping-Verfahren realisiert. Der in dieser Arbeit entwickelte Demonstrator besteht aus einer oberen und einer unteren Fortbewegungsvorrichtung. Beide Plattformen sind durch einen Spalt in der Schiene miteinander verbunden und verfügen über jeweils 8 Omniwheels. Diese ermöglichen es dem Roboter in Abrollrichtung Vortrieb zu erzeugen und senkrecht dazu reibungsarm abzurollen. Der Bodenkontakt der 8 Räder wird mit einer parallelgeführten Einzelradaufhängung gewährleistet. Weiterhin erlaubt dieses Bewegungskonzept über einen Zahnriementrieb mit 4 Motoren und seitenweiser Ansteuerung der Räder (es befinden sich an jeder Seite 2 Räder) das geforderte holonome Verfahren des mobilen Roboters. Diese Bewegungsmöglichkeit befähigt den Roboter sich in der Schiene und den Schienenkreuzungen mittels Sensoren selbst zu zentrieren und die Richtung zu wechseln. Ein Schienensystem, welches als Testumgebung für Funktionstests der Komponenten dient, wurde ebenfalls aufgebaut. Die durchgeführten Tests belegen das grundlegende Funktionsprinzip des Systems und zeigen die Erfüllung der an den Demonstrator gestellten Anforderungen. Mit Hilfe des Demonstrators konnten bereits Erkenntnisse zur Gesamtfunktion des Systems erlangt und erste Verbesserungsvorschläge zum Aufbau weiterer Plattformen und deren Steuerung abgeleitet werden.